[論文レビュー] The Physics of Q-balls

Mitsuo I. Tsumagari|ArXiv.org|Oct 20, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 109被引用数 7

ひとこと要約

本学位論文は、多項式、重力媒介、ゲージ媒介のポテンシャルにおけるQボソン—非トポロジカル的ソリトン—の量子的および古典的安定性を調査し、インフレーション後の状況において、絶対的に安定で長寿命なQボソンが自然に形成されることを示している。量子補正と格子シミュレーションを組み合わせることで、Qボソン凝集体がバリオン非対称性と、バリオンと同等の密度のダークマター残存密度を生成することを示しており、アフレック＝ダイーンダイナミクスを介した宇宙論的物質優位性の統一的メカニズムを提供する。

ABSTRACT

In this thesis we investigate the stationary properties and formation process of a class of nontopological solitons, namely Q-balls. We explore both the quantum-mechanical and classical stability of Q-balls that appear in polynomial, gravity-mediated and gauge-mediated potentials. By presenting our detailed analytic and numerical results, we show that absolutely stable non-thermal Q-balls may exist in any kinds of the above potentials. The latter two types of potentials are motivated by Affleck-Dine baryogenesis, which is one of the best candidate theories to solve the present baryon asymmetry. By including quantum corrections in the scalar potentials, a naturally formed condensate in a post-inflationary era can be classically unstable and fragment into Q-balls that can be long-lived or decay into the usual baryons/leptons as well as the lightest supersymmeric particles. This scenario naturally provides the baryon asymmetry and the similarity of the energy density between baryons and dark matter in the Universe. Introducing detailed lattice simulations, we argue that the formation, thermalisation and stability of these Q-balls depend on the properties of models involved with supersymmetry breaking.

研究の動機と目的

• 多項式、重力媒介、ゲージ媒介のスカラー場ポテンシャルにおけるQボソンの定常的性質および安定性の分析。
• 超対称モデルにおける量子補正を含めたインフレーション後の凝集体からのQボソン形成メカニズムの調査。
• Qボソンが絶対的に安定で長寿命であるかどうかを特定し、バリオン非対称性およびダークマターの源として機能可能かどうかの検証。
• 超対称性破れのシナリオにおいて、格子シミュレーションを用いたQボソンの熱化および動的進化のモデル化。
• Qボソン形成と観測されたバリオンおよびダークマターのエネルギー密度の一致との間の関係の確立。

提案手法

• 変分法および場の理論的手法を用いた、任意の空間次元におけるQボソン解の解析的および数値的分析。
• スカラー場理論における有効ポテンシャルから導かれるQボソンのエネルギー-電荷関係および安定性基準の適用。
• インフレーション後の現実的な超対称ダイナミクスをモデル化するため、スカラー場ポテンシャルへの量子補正の組み込み。
• 超対称性破れの文脈において、Qボソンの形成、破壊、熱化を研究する格子場理論シミュレーションの実施。
• 初期凝集体形成およびその後のQボソン生成のフレームワークとしてのアフレック＝ダイーンメカニズムの使用。
• 標準模型粒子および最軽い超対称粒子（LSP）へのQボソンの崩壊率の比較を行い、長期的安定性の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子補正を含めた多項式、重力媒介、ゲージ媒介のポテンシャルにおいて、Qボソンが絶対的に安定であるか。
• RQ2 超対称スカラー場ポテンシャルにおける量子補正が、インフレーション後の凝集体の古典的不安定性およびQボソンへの破壊的分裂に与える影響は。
• RQ3 Qボソン形成が、宇宙における観測されたバリオン非対称性およびダークマターの残存密度をどれほど自然に生成できるか。
• RQ4 超対称性破れがQボソンの熱化および長期的安定性に果たす役割は。
• RQ5 格子シミュレーションにおけるQボソンダイナミクスが、スカラー場ポテンシャルの具体的なモデルパラメータおよび超対称性破れスケールにどのように依存するか。

主な発見

• エネルギーと電荷のバランスにより、多項式、重力媒介、ゲージ媒介のすべてのポテンシャルにおいて、絶対的に安定で非熱的Qボソンが存在可能である。
• スカラー場ポテンシャルにおける量子補正により、インフレーション後の凝集体は古典的に不安定となり、長寿命なQボソンに分裂する。これらのQボソンはバリオン、レプトン、LSPに崩壊する可能性がある。
• アフレック＝ダイーンメカニズムによるQボソン形成プロセスは、自然にバリオン非対称性と、観測されたバリオン密度と同等のダークマター残存密度を生成する。
• 格子シミュレーションにより、Qボソンの形成、熱化、安定性がモデルにおける超対称性破れの詳細に強く依存することが示された。
• 最終状態におけるQボソンのエネルギー密度は、観測されたバリオンおよびダークマターのエネルギー密度と一致し、それらの宇宙的一致を統一的に説明する根拠を提供する。
• ゲージ媒介モデルにおけるQボソンは、標準模型粒子への崩壊率が抑制されているため、長寿命または安定な構成に対して特に有望である。