[논문 리뷰] Gravitino Dark Matter in the CMSSM With Improved Constraints from BBN

D. G. Cerdeño, Ki-Young Choi외 3명|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 68

한 줄 요약

이 논문은 제약된 최소 초대칭 표준모형(CMSSM)에서 열적 및 비열적 생성 메커니즘을 모두 고려하여 중성미자 라이크한 입자인 중성미자 보조입자를 냉각 암흑물질로 재평가한다. stau 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP) 영역에서 중성미자 보조입자 암흑물질이 유의미한 결과를 얻기 위해서는 상당한 열적 기여가 필요하며, 이는 고온의 재가열 온도(T_R > 10^3–10^8 GeV)를 요구한다. 그러나 이러한 조건은 열적 렙토제네시스와 충돌하며, 대부분의 경우 물리적 진공이 진짜 최소값이 아닌 가짜 진공임을 시사한다.

ABSTRACT

In the framework of the Constrained MSSM we re--examine the gravitino as the lightest superpartner and a candidate for cold dark matter in the Universe. Unlike in other recent studies, we include both a thermal contribution to its relic population from scatterings in the plasma and a non--thermal one from neutralino or stau decays after freeze--out. Relative to a previous analysis [1] we update, extend and considerably improve our treatment of constraints from observed light element abundances on additional energy released during BBN in association with late gravitino production. Assuming the gravitino mass in the GeV to TeV range, and for natural ranges of other supersymmetric parameters, the neutralino region is excluded, while for smaller values of the gravitino mass it becomes allowed again. The gravitino relic abundance is consistent with observational constraints on cold dark matter from BBN and CMB in some well defined domains of the stau region but, in most cases, only due to a dominant contribution of the thermal population. This implies, depending on the gravitino mass, a large enough reheating temperature. If $\mgravitino>1$ GeV then $T_R>10^7$ GeV, if allowed by BBN and other constraints but, for light gravitinos, if $\mgravitino>100$ keV then $T_R>3 imes 10^3$ GeV. On the other hand, constraints mostly from BBN imply an upper bound $T_R \lsim {a few}x 10^8 imes10^9$ GeV which appears inconsistent with thermal leptogenesis. Finally, most of the preferred stau region corresponds to the physical vacuum being a false vacuum. The scenario can be partially probed at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 업데이트된 천체물리적 제약 조건을 반영하여 CMSSM 프레임워크에서 중성미자 보조입자를 냉각 암흑물질로 간주할 수 있는 가능성을 재정의한다.
• 중성미자 보조입자 잔여 밀도 계산에 열적 생성(플라즈마 산란에 의한)과 비열적 생성(NLSP 붕괴에 의한, 중성미자 또는 stau)을 모두 포함시킨다.
• 최신 경량 원소 농도 측정치를 활용하여 늦은 시기의 붕괴에서 발생하는 에너지 주입에 대한 보다 개선된 비등방성핵합성(Big Bang nucleosynthesis, BBN) 제약 조건을 적용한다.
• 결과적으로 도출된 매개변수 공간이 우주 마이크파 배경(CMB) 관측과 열적 렙토제네시스 조건을 만족하는지 평가한다.
• 특히 물리적 진공이 진짜 최소값인지 아니면 국소 최소값인 가짜 진공인지 여부를 고려하여 모델의 진공 구조를 조사한다.

제안 방법

• CMSSM 매개변수 공간에서 초기 우주에서의 열적 및 비열적 중성미자 보조입자 생성률을 동시에 계산한다.
• 최신 관측 제약 조건(중수소(D), 헬륨-4(4He), 리튬-7(7Li))을 활용하여 늦은 기간의 NLSP 붕괴에서 발생하는 BBN 동안의 에너지 주입을 제한한다.
• 총 중성미자 보조입자 잔여 밀도 Ω~G~h²를 계산하고 관측된 CDM 값(Ω_CDMh² ≈ 0.1)과 비교한다.
• CMB 스펙트럼과 BBN 제약 조건을 적용하여 재가열 온도 T_R를 제약한다.
• 효과적 포텐셜을 평가하고 물리적 진공이 국소 최소값인지 아니면 가짜 진공인지 여부를 평가함으로써 진공 안정성을 평가한다.
• 수정된 고온도 QCD 결합 상수 α_s와 업데이트된 열적 생성 단면적(참고문헌 [23]에서 수정된 값 [64])을 활용하여 잔여 밀도 계산을 정밀화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열적 및 비열적 생성을 모두 고려할 경우, CMSSM에서 중성미자 보조입자 암흑물질의 유의미한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ2 늦은 에너지 주입에 대한 개선된 BBN 제약 조건은 허용 가능한 재가열 온도 T_R에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 열적 렙토제네시스 조건을 만족하면서도 CMB 및 BBN 관측 결과와 일치하는 중성미자 보조입자 잔여 밀도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 CMSSM 매개변수 공간의 어느 영역에서 물리적 진공이 진짜 최소값이 아닌 가짜 진공이 되는가?
• RQ5 특히 stau NLSP 영역에서 이 시나리오의 LHC 탐지 가능 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 중성미자 NLSP 영역는 대부분의 매개변수 공간에서 BBN 기간 동안의 과도한 에너지 주입으로 인해 배제된다. 유일한 예외적인 경우를 제외하고는 그러하다.
• stau NLSP 영역에서는 중성미자 보조입자 잔여 밀도가 CDM 관측 결과와 일치하려면 열적 생성 기여가 지배적이어야 하며, 이는 m~G~ > 100 keV일 경우 T_R > 10^3 GeV, m~G~ > 1 GeV일 경우 T_R > 10^7 GeV를 요구한다.
• BBN 및 CMB 제약 조건으로부터 재가열 온도의 상한선은 T_R < a few × 10^8 GeV이며, 이는 열적 렙토제네시스가 요구하는 T_R > 10^9–10^10 GeV와 충돌한다.
• 대부분의 유의미한 stau NLSP 영역에서 물리적 진공은 가짜 진공이며, 진짜 진공은 색과 전하를 파괴하는 성질을 지닌다. 이는 비안정성(메타안정성)을 의미한다.
• LHC 서명은 표준적인 미량 에너지가 아니라, 질량이 크고 (메타-)안정적이며 전하를 띤 stau 입자로, 긴 붕괴 길이나 직접 생성을 통해 탐지될 수 있다.
• α_s와 열적 생성 단면적의 보정 계산으로 인해 유의미한 영역이 더 낮은 m~1/2~로 이동하며, T_R의 상한선이 T_R ≲ a few × 10^8 GeV로 더욱 강화된다.