[논문 리뷰] The B-L Phase Transition: Implications for Cosmology and Neutrinos

Kai Schmitz|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 234인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서의 $B$-$L$ 상전이가 하이브리드 인플레이션을 유도하며, 이로 인해 타키온(preheating), 우주 끈의 형성, 그리고 재열을 이끄는 무거운 (s)뉴트리노의 생성이 일어나고, 이는 바리온 비대칭을 생성하며 열적 그라비티노 생성을 가능하게 한다. 주요 결과로는 레프토제네시스와 그라비티노 어두운 물질이 일치할 경우 그라비티노 질량에 대해 $10\,\text{GeV}$ 이상의 하한이 존재하며, 무거운 그라비티노 붕괴를 통한 비열적 WIMP 어두운 물질이 가능하다는 점이다.

ABSTRACT

We investigate the possibility that the hot thermal phase of the early universe is ignited in consequence of the B-L phase transition, which represents the cosmological realization of the spontaneous breaking of the Abelian gauge symmetry associated with B-L, the difference between baryon number B and lepton number L. Prior to the B-L phase transition, the universe experiences a stage of hybrid inflation. Towards the end of inflation, the false vacuum of unbroken B-L decays, which entails tachyonic preheating as well as the production of cosmic strings. The dynamics of the B-L breaking Higgs field and the B-L gauge degrees of freedom, in combination with thermal processes, generate an abundance of heavy (s)neutrinos. These (s)neutrinos decay into radiation, thereby reheating the universe, generating the baryon asymmetry of the universe and setting the stage for the thermal production of gravitinos. We study the B-L phase transition in the full supersymmetric Abelian Higgs model, for which we derive and discuss the Lagrangian in arbitrary and unitary gauge. As for the subsequent reheating process, we formulate the complete set of Boltzmann equations, the solutions of which enable us to give a detailed and time-resolved description of reheating. Assuming the gravitino to be the lightest superparticle (LSP), the requirement of consistency between hybrid inflation, leptogenesis and gravitino dark matter implies relations between neutrino and superparticle masses, in particular a lower bound on the gravitino mass of 10 GeV. Similarly, in the case of very heavy gravitinos, the nonthermal production of pure wino or higgsino LSPs in heavy gravitino decays can account for the observed amount of dark matter, while simultaneously fulfilling the constraints imposed by primordial nucleosynthesis and leptogenesis.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주의 뜨거운 열적 상을 유도하는 $B$-$L$ 상전이의 천체물리적 영향을 탐구하는 것.
• $B$-$L$ 붕괴가 재열을 이끄는 무거운 (s)뉴트리노를 생성하고, 레프토제네시스를 통해 바리온 비대칭을 생성하는 방식을 조사하는 것.
• 그라비티노가 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)일 경우 뉴트리노 파rameter와 초입자 질량에 대한 제약 조건을 유도하는 것.
• 무거운 그라비티노 붕괴에서 비열적 생성된 순수 윈오 또는 힉스ино LSP를 포함하는 어두운 물질의 대안적 시나리오를 검토하는 것.
• 시이즈 메커니즘 내에서 프로그랫-니엘렌드 플레이어어 구조를 도입하여 미지의 뉴트리노 관측량을 제약하는 것.

제안 방법

• 모든 $B$-$L$ 상전이를 기술하기 위해 일반 및 유니타리 게이지 조건에서 초대칭 아벨 힉스 모델 라그랑지안을 수립하는 것.
• 재열 기간 동안 입자 밀도의 시간에 따른 진화를 모델링하기 위해 완전한 버틀만 방정식 세트를 유도하고 해석하는 것.
• 프로그랫-니엘렌드 플레이어어 구조를 포함한 시이즈 메커니즘을 사용하여 무거운 오른쪽 뉴트리노 질량과 가벼운 뉴트리노 질량 간의 관계를 설정하는 것.
• 재열 온도 $T_{\text{RH}}$를 $\widetilde{m}_1$과 $M_1$의 함수로 계산하며, 이는 바리온 비대칭 $\eta_B \propto \widetilde{m}_1 / M_1$를 통해 연결되는 것.
• 그라비티노 밀도 $\Omega_{\widetilde{G}} h^2$를 $m_{\widetilde{G}}$, $m_{\tilde{g}}$, $T_{\text{RH}}$의 함수로 분석하고, 글루아노 질량이 변화하는 조건에서 일정한 밀도를 유지하기 위해 해를 구하는 것.
• 다양한 글루아노 질량에서 어두운 물질 밀도를 일정하게 유지하기 위해 재스케일링된 그라비티노 질량 $m_{\widetilde{G}}$에 대한 이차 방정식을 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 우주의 뜨거운 열적 상의 기원으로서 $B$-$L$ 상전이가 인플레이션과 재열과 일치하는가?
• RQ2 그라비티노가 LSP일 경우 레프토제네시스와 어두운 물질 제약 조건을 동시에 만족하기 위해 뉴트리노 파rameter와 초입자 질량에 어떤 제약이 생기는가?
• RQ3 무거운 그라비티노 붕괴에서 비열적 생성된 순수 윈오 또는 힉스ино LSP가 관측된 어두운 물질 밀도를 설명할 수 있으며, 핵합성 또는 레프토제네시스 제약을 위반하지 않는가?
• RQ4 시이즈 모델에 프로그랫-니엘렌드 플레이어어 구조를 포함할 경우 이전에 알려지지 않은 뉴트리노 관측량이 어떻게 제약을 받는가?
• RQ5 어두운 물질 밀도를 일정하게 유지하기 위해 재스케일링된 그라비티노 질량이 글루아노 질량과 원래의 그라비티노 질량에 대해 어떤 기능적 의존성을 가지는가?

주요 결과

• $B$-$L$ 상전이가 대규모 통합 스케일에서 발생하여 타키온(preheating)과 우주 끈을 생성하며, 이는 뜨거운 초기 우주의 역학적 기원을 제공한다.
• 상전이 기간 동안 생성된 무거운 (s)뉴트리노가 복사로 붕괴되어 재열을 이끌고, 레프토제네시스를 통해 바리온 비대칭을 생성한다.
• 하이브리드 인플레이션, 레프토제네시스, 그라비티노 어두운 물질 간의 일관성을 유지하기 위해 그라비티노 질량에 대해 $10\,\text{GeV}$ 이상의 하한이 필요하다.
• $m_{\widetilde{G}}^{0} \lesssim 280\,\text{GeV}$인 경우 재스케일링된 그라비티노 질량 $m_{\widetilde{G}}^{-}$가 원래 질량에 더 가까운 반면, $m_{\widetilde{G}}^{0} \gtrsim 280\,\text{GeV}$인 경우 $m_{\widetilde{G}}^{+}$가 지배한다.
• 무거운 그라비티노 붕괴에서 비열적 생성된 순수 윈오 또는 힉스ино LSP는 핵합성 및 레프토제네시스 제약을 충족하면서도 관측된 어두운 물질 밀도를 설명할 수 있다.
• 재스케일링된 그라비티노 질량은 이차 방정식 $m_{\widetilde{G}}^{\pm}$를 따르며, $m_{\widetilde{G}}^{0} \simeq 280\,\text{GeV}$에서 스핀 $\pm\frac{1}{2}$ 및 $\pm\frac{3}{2}$ 상태가 어둠의 물질 기여도에 동일하게 기여한다.