[论文解读] Gravitino Dark Matter in the CMSSM With Improved Constraints from BBN

D. G. Cerdeño, Ki-Young Choi+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 68

一句话总结

本文在约束最小超对称标准模型（CMSSM）框架下，重新评估了引力ino作为冷暗物质的可能性，同时考虑了热生成与非热生成两种机制。研究发现，仅当存在显著的热生成分时，selectron（次轻量级超对称粒子，NLSP）区域才适用于引力ino暗物质，这要求再热温度较高（T_R > 10^3–10^8 GeV），但该条件与热轻子生成机制冲突，并且在大多数情况下意味着物理真空为亚稳态真空。

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.

研究动机与目标

• 在更新的宇宙学约束条件下，重新表达引力ino作为CMSSM框架中冷暗物质的可行性。
• 在引力ino丰度计算中同时纳入来自等离子体散射的热生成与来自NLSP衰变（中性子或selectron）的非热生成机制。
• 利用更新的轻元素丰度测量结果，应用改进的宇宙大爆炸核合成（BBN）对晚期衰变引起的能量注入施加限制。
• 评估所得参数空间与宇宙微波背景（CMB）观测及热轻子生成机制的一致性。
• 研究该模型的真空结构，特别是物理真空是否为全局最小值，或为亚稳态真空。

提出的方法

• 在早期宇宙中，同时计算CMSSM参数空间内的热生成与非热生成引力ino生成速率。
• 利用对轻元素丰度（D, 4He, 7Li）的最新观测约束，限制NLSP晚期衰变期间在BBN阶段的能量注入。
• 计算总引力ino丰度密度 Ω~G~h²，并与观测到的冷暗物质值（Ω_CDMh² ≈ 0.1）进行比较。
• 利用CMB功率谱与BBN的约束，对再热温度 T_R 进行限制。
• 通过评估有效势并判断物理真空是否为局部极小值或亚稳态真空，评估真空稳定性。
• 采用校正后的高温QCD耦合常数 α_s 及更新的热生成截面（来自参考文献[23]，并经[64]修正），以优化丰度计算结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 当同时考虑热生成与非热生成机制时，引力ino暗物质在CMSSM中的可行参数空间是什么？
• RQ2 对晚期能量注入的改进BBN约束如何影响允许的再热温度 T_R？
• RQ3 引力ino丰度能否在满足热轻子生成约束的前提下，与CMB和BBN观测结果一致？
• RQ4 在CMSSM参数空间的哪些区域中，物理真空为亚稳态真空而非全局最小值？
• RQ5 该场景下LHC可探测的信号特征是什么，特别是在selectron NLSP区域？

主要发现

• 由于BBN阶段能量注入过量，中性子NLSP区域在大部分参数空间中被排除，仅在极少数例外情况下可行。
• 只有当热生成分占主导时，selectron NLSP区域才能实现与CMB观测一致的引力ino丰度，这要求：当 m~G~ > 100 keV 时 T_R > 10^3 GeV，当 m~G~ > 1 GeV 时 T_R > 10^7 GeV。
• BBN与CMB约束给出的再热温度上限为 T_R < a few × 10^8 GeV，这与热轻子生成机制要求的 T_R > 10^9–10^10 GeV 相矛盾。
• 在大多数可行的selectron NLSP区域中，物理真空为亚稳态真空，而真真空具有色禁闭与电荷禁闭特性，意味着其为亚稳态。
• LHC信号并非标准的缺失能量信号，而是质量较大、（亚）稳定且带电的selectron粒子，可通过其长衰变长度或直接产生被探测。
• 对 α_s 和热生成截面的修正使可行区域向更低的 m~1/2~ 偏移，同时将 T_R 的上限收紧至 T_R ≲ a few × 10^8 GeV。