[論文レビュー] Quasi-thermal Universe and its implications for gravitino production, baryogenesis and dark matter

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|ArXiv.org|May 6, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、インフレーション粒子の崩壊後、宇宙の初期段階が長期間にわたって準熱的状態に入り得ることを提案している。この状態では運動的平衡が成立するが、数の保存を破る反応が抑制されているため、完全な化学平衡は遅れる。この状態は主要な宇宙論的制約を変える：重gravitinoの生成は再熱温度に上限を課さず、重力的生成はより重い右巻きニュートリノを必要とし、軽いウィノ／ヒッグスキンダーまたはビノ型のダークマター候補が実現可能になる一方、対称性の回復が失敗すれば電弱ビアジェネシスは排除される可能性がある。

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.

研究の動機と目的

• インフレーター粒子の崩壊後、完全な熱平衡に達せず、代わりに準熱的状態にとどまる場合の宇宙論的影響を調査すること。
• 遅れた化学平衡が重gravitino生成、ビアジェネシス、およびダークマターの残存密度に与える影響を評価すること。
• 非平衡的熱歴史下で、再熱温度、右巻きニュートリノ質量、ダークマター質量に関する標準的制約が緩和可能かどうかを特定すること。
• 対称性の回復が起こらない準熱的宇宙における電弱ビアジェネシスの可能性を評価すること。

提案手法

• インフレーター粒子の崩壊後に、共動数密度とエネルギーが一定のまま保たれる準熱的状態として初期宇宙をモデル化すること。
• 運動的平衡と化学平衡のレートを用いる：Γ_kin ∼ α²n/m_g² および Γ_thr ∼ α³n/m_g²、ここで m_g ∝ ⟨φ⟩ は平坦な方向の真空期待値から得られる。
• 完全平衡からの逸脱度を表すパラメータ A ≡ ρ_eq / ρ_non_eq を導入し、熱補正と凍結の影響を定量化すること。
• 準熱的状態における残存密度を計算するため、凍結方程式 n_χ/s ∼ A^(-1/4) x_f (0.2/c_χ)(m_χ/M_P) を適用すること。
• スカラー質量の熱補正を AT² として分析し、修正された電弱相転移温度 T_cr ∼ A^(-1/2)m_EW を得ること。
• m_W ≫ T の場合に exp(–m_W/T) で抑制されるスファラジェネシスの抑制を評価し、特に A ≫ 1 の場合を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準熱的宇宙において、熱的gravitino生成は再熱温度の上限を課すのか？
• RQ2 非平衡的熱歴史下で、熱的ビアジェネシスのための右巻き（s）ニュートリノ質量の下限が 10⁹ GeV よりも顕著に高くなる可能性はあるか？
• RQ3 凍結が準熱的状態で起こる場合、ウィノまたはヒッグスキンダーに類似したLSPが1 TeV未満で軽くても、熱的ダークマター候補として実現可能か？
• RQ4 熱化が遅れる場合、Binoに類似したLSPが「バルク領域」で実現可能なダークマター候補となるか？
• RQ5 電弱対称性が遅れて熱化のために回復しなければ、電弱ビアジェネシスは可能か？

主な発見

• 準熱的状態では、標準的なgravitino密度のユニタリティ制限が成立しないため、熱的gravitino生成は最大再熱温度に制約を課さない。
• 右巻き（s）ニュートリノ質量の下限は、熱歴史およびパラメータAに依存して 10⁹ GeV を超える可能性がある。
• 凍結が準熱的状態で起こる場合、ウィノまたはヒッグスキンダーに類似したLSPが1 TeV未満であっても、実現可能な熱的ダークマター候補となる。
• A ≫ 1 であれば、Binoに類似したLSPはバルク領域で実現可能なダークマター候補となり得る。これは遅れた熱化によりその残存密度が抑制されるためである。
• A < (m_EW/T_max)² であれば、電弱対称性は永遠に回復しない可能性があり、スファラジェネシス遷移が不足するため、電弱ビアジェネシスの可能性が弱まる。
• A ≫ 1 の場合、電弱相転移の前でさえ、m_W ≫ T によりスファラジェネシス過程が指数関数的に抑制され、電弱ビアジェネシスの可能性をさらに低下させる。