[논문 리뷰] Supermassive gravitinos, dark matter, leptogenesis and flat direction baryogenesis

Rouzbeh Allahverdi, Steen Hannestad외 3명|ArXiv.org|2005. 04. 13.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 97인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고스케일 초대칭 붕괴를 가진 모델에서 초거대 질량의 중력보(gravitino, m₃/₂ ≥ 50 TeV)의 천체물리적 영향을 조사한다. 초거대 질량 중력보는 붕괴를 통해 암흑물질을 주로 생성하며, 열적 레코딩 온도와 오른쪽 수반 중성자 질량에 대한 제약 조건을 완화시키고, 평탄한 방향에서 기인한 과도한 양성자 비대칭을 희석시켜 고스케일 초대칭 시나리오에서 타당한 암흑물질과 양성자 비대칭 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In general the gravitino mass and/or the soft supersymmetry breaking masses in the observable sector can be much larger than the TeV scale. Depending on the relation between the masses, new important channels for gravitino production in the early Universe can arise. Gravitinos with a mass above 50 TeV decay before big bang nucleosynthesis, which leads to relaxation of the well known bound on the reheating temperature $T_{ m R} \leq 10^{10}$ GeV. However, if the heavy gravitinos are produced abundantly in the early Universe, their decay can alter the abundance of the lightest supersymmetric particle. Moreover, they may dominate the energy density of the Universe. Their decay will in this case increase entropy and dilute already created baryon asymmetry and dark matter. Such considerations put new constraints on gravitino and sfermion masses, and the reheating temperature. In this paper we examine various cosmological consequences of supermassive gravitinos. We discuss advnatges and disadvantages of a large reheating temperature in connection with thermal leptogenesis, and find that large parts of the parameter space are opened up for the lightest right-handed (s)neutrino mass. We also discuss the viability of Affleck-Dine baryogenesis under the constraints from gravitino decay, and gravitino production from the decay of Q-balls.

연구 동기 및 목표

• 고스케일 초대칭 붕괴를 가진 모델에서 초거대 질량 중력보(m₃/₂ ≥ 50 TeV)의 천체물리적 영향을 탐구하는 것.
• 중력보 붕괴가 중력보 지배 우주에서 암흑물질 밀도와 양성자 비대칭에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 고질량 중력보를 允許함으로써 열적 레이트로지네시스에서 레코딩 온도와 오른쪽 수반(스)중성자 질량에 대한 제약 조건을 완화하는 것.
• 중력보 붕괴로 인해 초기에 생성된 큰 양성자 비대칭이 희석될 경우 애플렉스-다인 레이트로지네시스의 타당성을 평가하는 것.
• Q-볼 붕괴에서 발생하는 중력보 생성과 평탄한 방향 응축체에서 기인한 과도한 양성자 비대칭을 희석시키는 데서의 역할을 분석하는 것.

제안 방법

• 초기 우주에서 스퍼미온 붕괴와 인플라톤 붕괴를 통한 중력보 생성을 열적 및 비열적 생성률을 사용하여 분석한다.
• 빅뱅 핵합성(BBN)과 암흑물질 잔류 밀도 제약 조건을 적용하여 중력보와 스퍼미온 질량의 범위를 제한한다.
• 중력보 붕괴와 희석이 존재하는 조건에서 고질량 오른쪽 수반(스)중성자(M₁ ≥ 10¹⁴ GeV)를 가진 열적 레이트로지네시스를 평가한다.
• 평탄한 방향 응축체와 Q-볼 형성에 의한 늦은 시간의 레이트로지네시스를 모델링하고, 그들이 중력보로 붕괴되는 것을 계산한다.
• 효과적 장 이론과 붕괴율 계산을 사용하여 초기 우주에서 중력보 밀도와 엔트로피 주입을 결정한다.
• 식 (15), (19), (24), (28), (47), (48), (59), (60)을 사용하여 암흑물질과 양성자 비대칭 제약 조건으로부터 스퍼미온 질량(m̃)과 중력보 질량(m₃/₂)에 대한 경계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초거대 질량 중력보(m₃/₂ ≥ 50 TeV)는 붕괴를 통해 비열적 암흑물질의 타당한 기원이 될 수 있는가?
• RQ2 특히 초기에 비대칭이 생성된 경우, 중력보 지배 우주에서 중력보 붕괴는 양성자 비대칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 BBN, 암흑물질, LSP 상호작용 붕괴의 조합이 중력보와 스퍼미온 질량 척도에 미치는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 중력보가 초거대이고 BBN 이전에 붕괴한다면, 레코딩 온도 T_R ≥ m̃ 인 고온의 레코딩이 열적 레이트로지네시스에서 허용될 수 있는가?
• RQ5 평탄한 방향 응축체 진동에서 기인한 큰 양성자 비대칭이 Q-볼 붕괴에 의한 중력보 생성에 의해 어느 정도 희석될 수 있는가?

주요 결과

• 질량 m₃/₂ ≥ 50 TeV인 중력보는 빅뱅 핵합성 이전에 붕괴되며, 기존의 레코딩 온도 상한 T_R ≤ 10¹⁰ GeV 제약 조건을 완화시킨다.
• R-대칭 보존 모델의 경우, 중력보 붕괴를 통한 성공적인 비열적 암흑물질 생성은 m₃/₂ > 50 TeV여야 하며, 과잉 생성을 방지하기 위해 충분한 LSP 상호작용 붕괴가 필요하다.
• 중력보 지배 시나리오에서 열적 LSP 밀도는 희석되지만, m_χ > 2 TeV일 경우 비열적 붕괴에 의한 과잉 생성이 발생하여 이러한 무거운 LSP의 중력보 지배는 배제된다.
• m₃/₂ ≥ 50 TeV일 경우, 열적 레이트로지네시스는 더 높은 레코딩 온도와 더 큰 오른쪽 수반(스)중성자 질량(M₁)에서 타당해지며, 이는 이전 제약 조건을 완화시킨다.
• M₁ ≥ 10¹⁴ GeV일 경우, 레이트로지네시스는 레이턴트 수준 위반 반응으로 실패한다; 이는 중력보 지배 모델에서 M₁에 상한 제약 조건을 부과한다.
• Q-볼 붕괴에 의한 중력보 생성은 과도한 양성자 비대칭을 효율적으로 희석시킬 수 있는 자연스러운 중력보 생성 기원을 제공하며, 특히 수명이 긴 큰 Q-볼의 경우 특히 효과적이다.