[논문 리뷰] Effects of the Gravitino on the Inflationary Universe

Takeo Moroi|arXiv (Cornell University)|1995. 03. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 96

한 줄 요약

이 1995년 박사학위논문은 초대칭 중력보 모델에서의 중력보의 천체물리적 영향을 조사하며, 빅뱅 핵합성(BBN)과 암흑물질 제약 조건에 초점을 맞춘다. 붕괴에 의해 유도되는 엔트로피 생성과 광자/중성자 주입을 분석함으로써 중력보 질량에 대한 엄격한 제약 조건을 도출한다. 이는 빅뱅 핵합성을 방해하지 않기 위해 중력보 질량이 약 10 테라전자볼트 이상이어야 하며, 안정된 중력보가 1 킬로전자볼트 이상일 경우 우주를 과도하게 닫는다는 결론을 이끌어낸다.

ABSTRACT

Gravitino problem is discussed in detail. We derive an upperbound on the reheating temperature from the constraints of the big-bang nucleosynthesis and the present mass density of the universe. Compared to previous works, we have improve the following three points; (i) the gravitino production cross sections are calculated by taking all the relevant terms in the supergravity lagrangian into account, (ii) high energy photon spectrum is obtained by solving the Boltzmann equations numerically, and (iii) the evolutions of the light elements (D, T, $^3$He, $^4$He) at the temperature lower than $\sim$1MeV are calculated by using modified Kawano's computer code.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 중력 모델에서 중력보 질량에 대한 천체물리적 제약 조건을 규명하는 것.
• 고에너지 광자 및 중성자 주입을 통한 중력보 붕괴가 빅뱅 핵합성(BBN)에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 불안정하고 안정된 중력보가 핵자 대 광자 비율과 암흑물질 밀도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 엔트로피 생성과 경량 원소 과잉 생성을 통해 중력보 질량에 대한 제약 조건을 도출하는 것.

제안 방법

• 초대칭 중력 모델에서 질량이 있는 중력보의 효과적 라그랑지안과 파인먼 규칙을 사용하여 그 상호작용과 붕괴 너비를 모델링한다.
• 초기 우주에서 중력보 붕괴에 의해 발생하는 광자 및 중성자 스펙트럼을 시뮬레이션하기 위해 볼츠만 방정식을 적용한다.
• 중력보 붕괴에서 유래하는 고에너지 주입이 빅뱅 핵합성 기간 동안 경량 원소 농도(D, 3He, 4He, 7Li)에 미치는 영향을 계산한다.
• 관측된 초기 우주 4He 농도(Yp = 0.23 ± 0.01)와 7Li 농도(≤2.15)를 이용하여 핵자 대 광자 비율 ηB에 대한 제약 조건을 설정한다.
• 초승수 공식을 사용하여 다양한 모델에서 중력보 질량과 초대칭 붕괴 스케일 간의 관계를 연결한다.
• 현재 우주의 질량 밀도에 대한 중력보의 기여와 천체우주 닫힘에 대한 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후기 붕괴가 빅뱅 핵합성을 방해하지 않도록 하기 위해 필요한 최소 중력보 질량은 얼마인가?
• RQ2 중력보 붕괴에서 발생하는 고에너지 광자 또는 중성자 주입은 경량 원소의 초기 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 핵자 대 광자 비율(ηB ≈ 3×10−10)은 중력보 성질에 어떤 제약 조건을 가하는가?
• RQ4 안정된 중력보가 우주의 임계 밀도에 기여할 수 있는가? 이 제약 조건으로 배제되는 질량 범위는 무엇인가?
• RQ5 다양한 초대칭 중력 모델(예: 최소 모델 대 비스케일 모델)은 중력보 질량과 초대칭 붕괴 스케일 간의 관계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 빅뱅 핵합성 이전에 붕괴가 일어나야 하므로 중력보 질량은 약 10 테라전자볼트 이상이어야 하며, 이는 파괴적인 광자 주입을 방지하기 위함이다.
• 중력보가 불안정할 경우, 경량 초대칭 입자의 과잉 생성을 방지하기 위해 온도가 1–10 기로전자볼트 이상에서 붕괴가 일어나야 하며, 이는 m3/2 > 10^6 – 10^7 기로전자볼트를 의미한다.
• 1 킬로전자볼트 이상의 질량을 가진 안정된 중력보는 현재 질량 밀도가 임계 밀도를 초과하므로 우주를 과도하게 닫는다.
• D, 3He, 4He, 7Li 관측을 종합적으로 고려할 경우 핵자 대 광자 비율은 ηB ≈ 2.8×10−10에서 3.3×10−10 사이로 제약된다.
• 초기 우주 7Li 농도는 [7Li]_p ≤ 2.15로 제약되며, 이는 보수적인 ηB 범위인 1.6×10−10에서 4.0×10−10로 이어진다.
• 핵자 기반 암흑물질 밀도(ΩB ~ 1)는 h ~ 0.5–1일 때 BBN 예측과 불일치하며, 관측 결과와 충돌함을 의미한다.