[논문 리뷰] Quasi-thermal Universe: from cosmology to colliders

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|2005. 05. 06.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

논문은 인플레이션 이후 운동적 평형은 도달하지만 화학적 평형은 수효적 비위반 상호작용의 비효율성으로 인해 지연되는 준열역학적 우주 시나리오를 제안한다. 이는 다음과 같은 핵심적 함의를 낳는다: 중력보 생성으로 인한 초기 우주의 온도 상한선이 없으며, 이는 열역학적 렙토제네시스에 유리한 右수성 중성자 질량 >10⁹ GeV 가능성을 열어주며, 타당한 어두운 물질에 적합한 초대칭 입자 질량이 감소하고, 전자기약력 대칭 복원이 이루어지지 않아 전자기약력 비대칭 생성 가능성이 약화된다.

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 interactions 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 a consequence the lightest right handed neutrino mass can be $\\gg 10^{9}$ GeV in the case of thermal leptogenesis. In order to have a successful dark matter creation the masses of the lightest supersymmetric particles, i.e. Wino or Higgsino, can be considerably reduced which will provide specific collider signatures, depending on the phase the Bino type cold dark matter can also be accommodated in the bulk region. 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

• 인플레이션 이후 운동적 평형은 도달했지만 화학적 평형이 지연되는 상황에서의 천체물리적 결과를 조사하는 것.
• 조기 화학적 평형이 존재하지 않을 경우 열역학적 중력보 생성에 미치는 영향과 초기 열역학적 분위의 최대 온도에 대한 상한선에 미치는 함의를 평가하는 것.
• 이 준열역학적 프레임워크 하에서 열역학적 렙토제네시스와 어두운 물질 생성의 가능성 탐색.
• 특히 전자기약력 대칭 복원의 역할을 고려하여 전자기약력 비대칭 생성에 미치는 영향 평가.
• 특히 초대칭 어두운 물질 후보자에 대해 실험 물리학에서 관측 가능한 서명 식별.

제안 방법

• 인플레이션 후 붕괴된 입자 분포를 분석하며, 가역적 진화를 따르는 운동적 평형을 가정한다.
• 화학적 평형을 위해 필요한 수효적 비위반 상호작용의 지연된 작용을 모델링한다.
• 완전한 열역학적 평형이 없는 조건에서 중력보 생성률을 계산하기 위해 열장 이론 기법을 적용한다.
• 준열역학적 조건 하에서 열역학적 렙토제네시스의 맥락에서 오른쪽 수성 중성자 질량에 대한 제약 평가.
• 동일한 프레임워크 하에서 가장 가벼운 초대칭 입자(윈오, 히긴시노, 빈오)의 잔여 밀도를 어두운 물질 후보로 평가.
• 전자기약력 전이와 초기 우주에서 대칭 복원이 이루어지지 않을 가능성 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 입자 붕괴 이후 지연된 화학적 평형 단계가 초래하는 천체물리적 함의는 무엇인가?
• RQ2 조기 화학적 평형이 존재하지 않을 경우 중력보 과잉 생성에 의한 초기 열역학적 분위의 온도 상한선에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 준열역학적 조건 하에서 오른쪽 수성 중성자 질량이 10⁹ GeV를 초과해도 열역학적 렙토제네시스가 성공할 수 있는가?
• RQ4 준열역학적 우주에서 어두운 물질 생성을 위해 필요한 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP) 질량은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 전자기약력 대칭이 결코 복원되지 않을 경우 전자기약력 비대칭 생성은 어느 정도 실현 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 준열역학적 시나리오에서 열역학적 중력보 생성은 초기 열역학적 분위의 최대 온도에 상한선을 부과하지 않는다.
• 준열역학적 조건 하에서 중력보 제약을 위반하지 않고도 오른쪽 수성 중성자 질량이 10⁹ GeV를 초과할 수 있다.
• 가장 가벼운 초대칭 입자(윈오 또는 히긴시노)의 질량은 성공적인 어두운 물질 잔여 밀도 확보를 위해 상당히 감소시킬 수 있다.
• 빈오형 냉각 어두운 물질은 초대칭 모델의 위상에 따라 매개변수 공간의 대부분 영역에서 수용 가능하다.
• 이 프레임워크 하에서 초기 우주에서 전자기약력 대칭이 결코 복원되지 않을 수 있으며, 이는 전자기약력 비대칭 생성 가능성을 약화시킨다.
• 준열역학적 시나리오는 더 가벼운 초대칭 입자와 수정된 어두운 물질 생성 메커니즘으로 인해 특정하고 검증 가능한 실험 물리학 서명을 초래한다.