[논문 리뷰] A Cosmological Upper Bound on Superpartner Masses

Lawrence J. Hall, Joshua T. Ruderman외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 11.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 입자 중 가장 가벼운 입자가 안정한 중력보(gravitino)인 모형에서, 중력보의 잔여 밀도를 분석함으로써 초대칭 쌍대 입자 질량에 대한 천체물리적 상한을 유도한다. 만약 초대칭 쌍대 입자가 열적 평형 상태였고 중력보가 LSP라면, 우주의 과잉 밀도로 인해 초대칭 쌍대 입자 질량은 약 10 TeV 이하로 제한되며, 이 상한은 물질-복사 평형 온도와 플랑크 규모의 기하 평균에서 기인한다.

ABSTRACT

If some superpartners were in thermal equilibrium in the early universe, and if the lightest superpartner is a cosmologically stable gravitino, then there is a powerful upper bound on the scale of the superpartner masses. Typically the bound is below tens of TeV, often much lower, and has similar parametrics to the WIMP miracle.

연구 동기 및 목표

• 자연스러움 또는 전자기약화 조정에 의존하지 않는 초대칭 쌍대 입자 질량에 대한 천체물리적 상한을 확립하는 것.
• 중력보가 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)이고 LSP가 천체적으로 안정할 경우 초대칭 쌍대 입자 질량에 가해지는 제약 조건을 조사하는 것.
• 재열 온도($T_R$), 초대칭 쌍대 입자 질량 척도($\tilde{m}$), 중력보 질량($m_{3/2}$)에 대한 다양한 가정 하에서 상한이 어떻게 변화하는지 탐색하는 것.
• 늦은 붕괴와 비열적 중력보 생성을 분석함으로써 무거운 초대칭 쌍대 입자를 가진 모형의 타당성을 평가하는 것.
• 특히 LSP가 열적 동결-아웃 과정을 통해 생성되지 않을 경우 상한을 어떻게 피할 수 있는지 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 초대칭 쌍대 입자가 열적 평형 상태였다고 가정하고, 열적 산란, 냉각-형성, 동결-아웃 과정을 통해 중력보의 잔여 밀도를 유도한다.
• 중력보 밀도가 우주를 과잉으로 조밀하게 만들지 않도록 해야 하므로, $\tilde{m}$, 즉 초대칭 쌍대 입자 질량 척도에 대한 상한을 유도한다.
• 열적 동결-아웃 과정이 억제될 경우, 상한 $\tilde{m}^2 \lesssim \frac{a}{C_D} T_{\text{eq}} M_{\text{Pl}}$ 를 적용하여 $T_R = \tilde{m}$ 일 때 $\tilde{m} \lesssim 10^3$ TeV 를 도출한다.
• 다음으로 가장 가벼운 초대칭 입자(NLSP)의 늦은 붕괴가 초기 우주의 핵합성(BBN)에 미치는 영향을 분석하며, 과도한 강입자 또는 전자기적 붕괴가 발생하는 영역은 배제한다.
• 중력보가 매개하는 메커니즘에서 $m_{3/2}/\tilde{m} \sim M_*/M_{\text{Pl}}$ 라고 가정하고, 다양한 $M_*$ 와 $T_R$ 값에 대해 제약 조건을 평가한다.
• 비균형적인 초대칭 쌍대 입자 질량과 그가 BBN 및 중력보 잔여 밀도에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력보가 LSP이고 초대칭 쌍대 입자가 열적 평형 상태였다면, 천체물리적 과잉 밀도 조건에 의해 허용되는 초대칭 쌍대 입자 질량 척도의 최대치는 얼마인가?
• RQ2 초대칭 쌍대 입자 질량 상한 $\tilde{m}$ 이 재열 온도 $T_R$ 와 중력보 질량 $m_{3/2}$ 에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 어떤 상황에서 열적 동결-아웃에 의한 초대칭 쌍대 입자 질량 상한을 피할 수 있으며, 그 경우 천체물리적 제약 조건은 어떻게 되는가?
• RQ4 다음으로 가장 가벼운 초대칭 입자(NLSP)의 늦은 붕괴는 어떤 방식으로 중량 초대칭 쌍대 입자를 가진 모형의 타당성에 영향을 미치는가?
• RQ5 중력보 매개 메커니즘은 초대칭 쌍대 입자 질량 척도와 중력보 잔여 밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 중력보가 LSP이고 초대칭 쌍대 입자가 열적 평형 상태였다면, 과잉으로 생성된 중력보로 인한 우주의 과잉 밀도로 인해 초대칭 쌍대 입자 질량 척도 $\tilde{m}$ 는 약 10 TeV 이하로 제한된다.
• 열적 동결-아웃 과정이 억제될 경우 상한 $\tilde{m}^2 \lesssim \frac{a}{C_D} T_{\text{eq}} M_{\text{Pl}}$ 를 적용하면 $\tilde{m} \lesssim 10^3$ TeV 가 되며, 재열 온도가 높을수록 상한이 더 강화된다.
• 특히 $T_R \gtrsim \tilde{m}$ 일 경우, $m_{3/2} \approx \tilde{m}$ 인 영역가 가장 엄격하게 제약을 받으며, 중력보가 너무 따뜻하면 배제된다.
• 재열 온도 $T_R \sim 10^9$ GeV 이고 $M_* \sim M_{\text{Pl}}$ 라면, $m_{3/2} \sim 200$ GeV 이고 $\tilde{m}_{\text{nc}} \lesssim 5$ TeV 일 경우 모형이 타당하며 열적 렙토제네시스와도 호환된다.
• LSP가 중력보가 아니고 그 결합 상수가 임의로 약해지면 초대칭 쌍대 입자가 무한히 무거워질 수 있기 때문에 상한을 피할 수 있다.
• 큰 질량 분리가 있는 비균형적인 초대칭 쌍대 입자 질량은 BBN에 의해 제약을 받으며, 특히 NLSP의 강입자 붕괴로 인해 큰 질량 차이가 빠르게 배제된다.