[논문 리뷰] Re-reheating, late entropy injection and constraints from baryogenesis scenarios

Germano Nardini, Narendra Sahu|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 13.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 붕괴하는 장수하는 장(X)으로 인한 늦은 시기 엔트로피 주입이 이전에 생성된 비대칭 빈도를 희석시킬 수 있는 과정인 '재재열'을 조사한다. 엔트로피 희석에 대한 잘못된 해석적 근사치를 수정하고, MSSM 내 전기약력 빈도 생성, 열적 렙톤 생성, 공명 렙톤 생성에 대해 호환 가능한 X장 수명과 初기 농도에 대한 일반적인 제약 조건을 유도한다. 각각 수명이 $5\times10^{13}$, $10^{-2}$, $10^{15}\,{\rm GeV}^{-1}$를 초과할 경우 강력한 제약 조건이 존재한다.

ABSTRACT

Many theories of particle physics beyond the Standard Model predict long-lived fields that may have dominated the Universe at early times and then decayed. Their decay, which injects entropy in the thermal bath, is responsible for a second reheating, dubbed re-reheating, that could substantially dilute the matter-antimatter asymmetry created before. In this paper we analyze such late re-reheating and entropy dilution. It turns out that in some cases the usual analytic calculation badly fails if it is not rectified by some corrective factors that we provide. We also determine the parameter space where the entropy dilution compromises models of baryogenesis. This region can be obtained by imposing some generic constraints that are applicable to any baryogenesis mechanism and long-lived field satisfying a few assumptions. For instance, by applying them to MSSM electroweak baryogenesis, thermal non-resonant leptogenesis and thermal resonant leptogenesis, we obtain that the initial abundances of long-lived fields with lifetime longer than respectively 5*10^13, 10^-2 and 10^15 GeV^-1 are strongly constrained. Similarly, the same baryogenesis scenarios are incompatible with large oscillations of moduli with mass smaller than O(10^8), O(10^13) and O(10^7) GeV that are naturally coupled to the visible sector via gravitational dimension-five operators.

연구 동기 및 목표

• 붕괴하는 장수하는 장(X)으로 인한 늦은 시기 엔트로피 주입이 이전에 존재하는 빈도 비대칭에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 재재열 기간 동안 엔트로피 희석에 대한 표준 해석적 근사치에서 발생하는 체계적 오류를 규명하고 수정하기 위해.
• 빈도 생성 메커니즘과 호환 가능한 X장 수명과 초기 농도에 대한 일반적이고 모델 독립적인 제약 조건을 도출하기 위해.
• 독립적인 빈도 생성과 엔트로피 주입을 전제로, 특정 빈도 생성 시나리오—MSSM 전기약력 빈도 생성, 열적 비공명 렙톤 생성, 공명 렙톤 생성—에 이러한 제약 조건을 적용하기 위해.
• 넓은 범위의 우주론적 모델에서 빈도 생성과 늦은 시기 붕괴 간의 호환성을 평가하기 위한 실용적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 X장 붕괴 기간 동안 엔트로피 주입을 위한 수정된 해석적 공식을 유도하였으며, X가 지배하는 시기의 정의가 명확하지 않은 비이상적 조건을 고려하였다.
• 수치 시뮬레이션과 비교하여 오차를 정량화하고, 더 정확한 결과를 얻기 위한 수정 요인을 도출하였다.
• 재재열 온도 $T_{\text{rh}}$는 엔트로피 주입 비율 $\xi$를 통해 정의되며, X 붕괴로 인한 엔트로피의 99%가 주입된 시점에 해당한다.
• 빈도 생성과 엔트로피 주입이 독립적인 과정이라고 가정하여, 관측된 빈도 대 엔트로피 비율에 기반해 $\tau$, $\rho_X^i$, 및 $T_i$에 대한 제약 조건을 유도하였다.
• BBN 제약 조건은 $T_{\text{rh}} \geq T_{\text{BBN}} = 4\,{\rm MeV}$ 를 요구하며, 실험적 및 체계적 불확실성을 고려하기 위해 $\xi$ 매개변수를 융통성 있게 사용하였다.
• 결과를 특정 빈도 생성 모델에 적용하기 위해, X장 수명과 초기 에너지 밀도에 대한 제약 조건을 조기 진동 진폭, 질량, 그리고 가시 영역과의 중력 결합 계수에 대한 제약 조건으로 변환하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 해석적 근사치가 늦은 재재열 조건에서 어떻게 실패하는가? 정확도를 향상시키기 위해 필요한 수정 요인은 무엇인가?
• RQ2 독립적인 빈도 생성을 전제로 할 때, 관측된 빈도 비대칭과 호환 가능한 장수하는 장 X의 수명과 초기 농도에 대한 일반적인 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 X 붕괴로 인한 늦은 엔트로피 주입은 MSSM 전기약력 빈도 생성, 열적 비공명 렙톤 생성, 공명 렙톤 생성 모델에 얼마나 심각하게 영향을 미치는가?
• RQ4 X가 모듈러스 장일 경우, X장의 제약 조건은 가시 영역과의 중력 결합을 갖는 모듈러스 필드의 진동 진폭과 질량에 어떻게 번역되는가?
• RQ5 엔트로피 주입 비율 $\xi$에 대한 다양한 가정이 BBN 기반의 $T_{\text{rh}}$ 상한선과 X장 매개변수에 대한 제약 조건에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표준 해석적 근사치는 X가 지배하는 시기의 정의가 명확하지 않을 경우, 특히 $\Delta \lesssim 3$일 경우 크게 실패하며, $T_{\text{rh}}$ 추정 오차가 약 2.5배에 이르렀다.
• 수정된 요인은 해석적 계산과 수치 계산 간의 일치도를 향상시키며, $\Delta \gtrsim 3$일 경우 엔트로피 추정 오차를 10% 이내, $T_{\text{rh}}$ 추정 오차를 약 20% 이내로 줄였고, BBN 상한선을 약간 강화시켰다.
• MSSM 전기약력 빈도 생성의 경우, 수명이 $\tau \gtrsim 5 \times 10^{13}\,{\rm GeV}^{-1}$인 X장의 초기 농도는 강력하게 제약된다.
• 열적 비공명 렙톤 생성의 경우, 수명이 $\tau \gtrsim 10^{-2}\,{\rm GeV}^{-1}$인 X장의 초기 농도는 강력하게 제약된다.
• 열적 공명 렙톤 생성의 경우, 수명이 $\tau \gtrsim 10^{15}\,{\rm GeV}^{-1}$인 X장의 초기 농도는 강력하게 제약된다.
• X가 모듈러스 장일 경우, 제약 조건은 진동 진폭 $\mathcal{X}_i$와 $M_X \sqrt[3]{\alpha_X} \gtrsim 10^8\,{\rm GeV}$에 대한 상한선으로 번역되며, 전기약력 빈도 생성에 대해선 $10^8\,{\rm GeV}$, 열적 비공명 렙톤 생성에 대해선 $10^{13}\,{\rm GeV}$, 공명 렙톤 생성에 대해선 $10^7\,{\rm GeV}$이다.