[논문 리뷰] Quasi-thermal Universe and its implications for gravitino production, baryogenesis and dark matter

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|ArXiv.org|2005. 05. 06.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 인플라톤 붕괴 이후 초기 우주가 수명이 긴 준열적 상태에 들어갈 수 있다고 제안한다. 이 상태에서는 운동적 평형이 확립되지만, 수치 위반 반응이 억제되어 전체 화학 평형이 지연된다. 이는 핵심 천체물리학적 제약을 재정의한다: 중력보 생성은 재열 온도에 상한선을 두지 않으며, 렙토제네시스는 이전보다 더 무거운 오른쪽 히터로 인한 것이어야 하며, 더 가벼운 Wino/Higgsino 또는 Bino 어둠성 물질 후보가 가능해진다. 반면, 대칭 복원이 실패할 경우 전기약력 대칭 기원은 배제될 수 있다.

ABSTRACT

Under general circumstances full thermal equilibrium may not be established for a long period after perturbative or non-perturbative decay of the inflaton has completed. One can instead have a distribution of particles which is in kinetic equilibrium and evolves adiabatically during this period. Number-violating reactions which are required to establish chemical equilibrium can become efficient only at much later times. We highlight some of the striking consequences of such a quasi-thermal Universe. In particular, thermal gravitino production yields {\it no bound} on the maximum temperature of the primordial thermal bath alone. As another consequence, the lower bound on the mass of the lightest right-handed (s)neutrino from thermal leptogenesis can be $\gg 10^{9}$ GeV. Depending on the phase, a Wino or Higgsino considerably lighter than TeV, or a Bino in the bulk region, can be a viable {\it thermal} dark matter candidate. Finally the electroweak symmetry may never be restored in the early Universe, therefore weakening any hopes of realizing a successful electroweak baryogenesis.

연구 동기 및 목표

• 인플라톤 붕괴 이후 전체 열평형에 도달하지 못하고 준열적 상태에 머무르는 초기 우주의 천체물리적 영향을 조사하기 위해.
• 지연된 화학 평형이 중력보 생성, 양성화 및 어둠성 물질 잔여 밀도에 어떻게 영향을 주는지 평가하기 위해.
• 비평형 열역학력에 따라 기존의 재열 온도, 오른쪽 뉴트리노 질량, 어둠성 물질 질량에 대한 표준 제약 조건이 완화될 수 있는지 판단하기 위해.
• 대칭 복원이 이루어지지 않을 수 있는 준열적 우주에서 전기약력 대칭 기원의 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 인플라톤 붕괴 후 공동 수밀 밀도와 에너지가 일정한 준열적 상태로 초기 우주를 모델링하기 위해.
• 운동적 평형 및 화학 평형 반응률을 사용: Γ_kin ∼ α²n/m_g² 와 Γ_thr ∼ α³n/m_g², 여기서 m_g ∝ ⟨φ⟩ 는 평탄한 방향의 잠재 에너지 기여이다.
• 전체 평형에서의 이격 정도를 수량화하기 위해 A ≡ ρ_eq / ρ_non_eq 를 도입하며, 이는 열보정 및 동결-아웃에 영향을 준다.
• 준열적 상태에서의 잔여 밀도를 계산하기 위해 동결-아웃 방정식 n_χ/s ∼ A^(-1/4) x_f (0.2/c_χ)(m_χ/M_P) 를 적용한다.
• 스칼라 질량의 열보정을 AT² 로 분석하여 전기약력 상전이 온도 T_cr ∼ A^(-1/2)m_EW 로 수정한다.
• m_W ≫ T 일 때 exp(–m_W/T) 로서 스팔레론 억제를 평가하며, 특히 A ≫ 1 인 경우에 주목한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 준열적 우주에서 열적 중력보 생성이 재열 온도에 상한선을 둘 수 있는가?
• RQ2 비평형 열역학력에서 열적 렙토제네시스를 위한 오른쪽 히터(스넬로) 질량 하한이 10⁹ GeV 보다 크게 될 수 있는가?
• RQ3 동결-아웃이 준열적 상태 동안 일어날 경우, Wino- 또는 Higgsino 유사 어둠성 물질이 1 TeV 미만일 수 있는가?
• RQ4 열화가 지연될 경우, 빈영역에서 Bino 유사 LSP 가 어둠성 물질 후보로 가능할 수 있는가?
• RQ5 열화가 늦게 일어나 대칭 복원이 이루어지지 않을 경우, 전기약력 대칭 기원이 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 표준 단위 보존 법칙이 준열적 상태에서는 적용되지 않기 때문에, 열적 중력보 생성은 재열 온도의 최대값을 제약하지 않는다.
• 열역학력과 매개변수 A 에 따라, 열적 렙토제네시스를 위한 오른쪽 히터(스넬로) 질량 하한은 10⁹ GeV 를 초과할 수 있다.
• 동결-아웃이 준열적 상태 동안 일어날 경우, Wino- 또는 Higgsino 유사 LSP 가 1 TeV 미만일 수 있는 열적 어둠성 물질 후보로 가능하다.
• A ≫ 1 이면 열화 지연에 의해 어둠성 물질 잔여 밀도가 감소하므로, Bino 유사 LSP 는 빈영역에서 어둠성 물질 후보로 가능하다.
• A < (m_EW/T_max)² 이면 전기약력 대칭이 복원되지 않을 수 있으며, 이는 스팔레론 전이가 없어 전기약력 대칭 기원 가능성이 약화된다.
• A ≫ 1 이면 전기약력 상전이 이전에도 m_W ≫ T 이므로 스팔레론 과정이 지수적으로 억제되며, 전기약력 대칭 기원에 더욱 불리하다.