[논문 리뷰] Early inflation induced gravity waves can restrict Astro-Particle physics

S. Nussinov|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 06.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고스케일 인플레이션과 고온 재가열 조건 하에서 천체입자물리학, 특히 냉각 암흑물질(CDM) 모델에 가해지는 제약를 조사한다. 표준 동결정지 메커니즘을 통해 질량 >20 GeV인 무거운 암흑물질 입자(X)는 후행 기간의 엔트로피 주입이나 새로운 상호작용이 없을 경우 CDM 잔류 밀도 제약을 위반하여 과다 생성됨을 보여준다. 주요 기여는 유한한 비아벨 게이지 상호작용이 Λ′ < M(X)를 만족할 경우에만 이 긴장을 해결할 수 있으며, 이는 후행기의 효율적인 붕괴를 가능하게 함을 입증하는 것이다.

ABSTRACT

In this paper, we discuss limits on various astro-particle scenarios if the scale extit{and} the reheat temperature of the last relevant inflation were very high. While the observed "B" like pattern of polarizations of the CMB suggest a very high ($\ge 10^{16}\ GeV$) scale of a primordial (which motivated this work initially) and may reflect effects of dust, we believe that addressing these issues is nonetheless very useful. We recall the potential difficulties with various topological defects - monopoles, strings and domain walls generated at the SSB (spontaneous symmetry breaking) of various gauge symmetries. The main part of the paper is devoted to discussing difficulties with long-lived heavy particles, which could be dark matter but cannot efficiently annihilate to the required residual density because of basic S-Matrix unitarity/analyticity limits. We indicate in simple terms yet in some detail how the WIMP miracle occurs at $M(X)\sim{TeV}$ and how the axiomatic upper bound presently updated to $M(X) \le{110 TeV}$ was originally derived by Greist and Kamionokowski. We also argue that generically we expect the stronger $M(X)\le{20\ GeV}$ bound to hold. We then elaborate on the pure particle physics approaches aiming to enhance the annihilation and evade the bounds. We find that the only and in fact very satisfactory way of doing this requires endowing the particles with gauge interactions with a confinement scale lower than $M(X)$. We also comment on models with light $O(KeV)$ dark matter, which was supposed to be frozen in via out-of equilibrium processes so as to have the right relic densities pointing out that in many such cases extit{very} low reheat temperatures are indeed required and speculate on the large desert scenario of particle physics. Most of what we discuss is not new but was not presented in a coherent fashion.

연구 동기 및 목표

• 고스케일 인플레이션과 고온 재가열 조건을 전제로 천체입자물리학 모델에 가해지는 제약를 분석하는 것.
• 표준 무거운 암흑물질 후보자(예: WIMPs)가 질량 >20 GeV일 경우 붕괴가 강화되지 않으면서도 과다 생성되는 이유를 규명하는 것.
• 붕괴 단면적에 대한 S-행렬 보존성과 단순성 제약를 회피하는 메커니즘을 탐색하는 것.
• 비평형 상태에서 생성되는 경량(keV 스케일) 암흑물질 후보자들이 열역학적 과잉 밀도를 피할 수 있는지 평가하는 것.
• 전자약력 스케일과 플랑크/GUT 스케일 사이의 큰 빈곤(대규모 빈자리)이 천체역학적 제약과 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 붕괴 진폭의 S-행렬 보존성과 해석성 제약을 적용하여 열역학적 동결정지에서의 잔류 밀도 제약을 분석한다.
• Greist-Kamionokowski(GK) 붕괴 단면적 제약를 적용하여 암흑물질 질량(M(X) ≤ 110 GeV)에 대한 상한을 유도하며, 더 강력한 제약(M(X) ≤ 20 GeV)을 제안한다.
• Λ′ < M(X) 조건을 만족하는 비아벨 게이지 상호작용이 결합 상태 및 플럭스 튜브 형성에 의해 붕괴 확률을 증가시키는 역할을 하는지 고려한다.
• 비평형 상태에서 생성되는 keV 스케일 암흑물질 모델을 평가하여 저온 재가열 조건에서 과잉 밀도를 방지할 수 있는지 분석한다.
• 붕괴하는 모듈러스 또는 다른 장수한 입자로부터 후행기 엔트로피 주입이 과잉 밀도를 완화하는 메커니즘으로서의 영향을 평가한다.
• S-행렬 프레임워크가 양자장 이론에서 양자역학적 비가역성 현상을 기술하지 못함을 분석하여, 과다 생성 문제를 해결하기 위해 비파erturbative 동역학이 필요함을 정당화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재가열 온도가 높을 경우, M(X) > 20 GeV인 무거운 암흑물질 후보자에 대한 천체역학적 제약는 무엇인가?
• RQ2 S-행렬 진폭에 대한 보존성과 해석성 제약는 장수한 무거운 입자의 붕괴 단면적을 어떻게 제한하는가?
• RQ3 기존 Greist-Kamionokowski 제약(M(X) ≤ 340 TeV)이 너무 느슨한 이유는 무엇이며, 더 정교한 분석을 통해 유도되는 더 강력한 상한은 무엇인가?
• RQ4 Λ′ < M(X) 조건을 만족하는 비아벨 게이지 상호작용이 중량 암흑물질의 과다 생성 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ5 고온 재가열 천체역학 조건 하에서 keV 스케일 암흑물질 모델은 타당한가? 과잉 밀도를 피하기 위해 필요한 재가열 온도는 얼마인가?

주요 결과

• 표준 S-행렬 보존성 및 해석성 제약는 M(X) > 20 GeV인 암흑물질 입자가 붕괴 단면적이 강화되지 않는 한 열역학적 동결정지 과정을 통해 정확한 잔류 밀도를 달성할 수 없다고 시사한다.
• 기존 Greist-Kamionokowski 제약(M(X) ≤ 340 TeV)은 더 강력한 상한 M(X) ≤ 110 GeV으로 대체되며, 더 강력한 제약 M(X) ≤ 20 GeV가 일반적으로 타당하다고 주장된다.
• 오직 Λ′이 M(X)보다 훨씬 낮은 비아벨 게이지 상호작용만이 붕괴 확률을 극적으로 증가시켜 후행기의 효율적 붕괴를 가능하게 하며, 과다 생성 문제를 해결할 수 있다.
• 비평형 상태에서 생성되는 keV 스케일 암흑물질 모델은 재가열 온도가 너무 높아지지 않도록 해야만 타당성이 있다.
• 후행기 엔트로피 주입이나 새로운 상호작용이 없는 조건에서는 고온 재가열 천체역학 모델이 암흑물질 모델의 타당성을 강력히 제약한다.
• 전자약력 스케일과 플랑크/GUT 스케일 사이의 큰 빈곤(대규모 빈자리) 시나리오는 여전히 타당하다. 고스케일 인플레이션과 재가열 조건이 이러한 간격을 배제하지 않기 때문이다.