[論文レビュー] Towards a successful reheating within supersymmetry

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2006

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、平坦な方向の大きな真空期待値（VEV）が、ヤコビ型カップリングを通じて質量項を生成し、非摂動的崩壊を力学的に遮断するため、インフレーション後のプリヒーティングが超対称モデルでは起こりにくいことを示している。その結果、インフレートンの崩壊は、H ≈ 10^{-3}–10^{-1} TeV のハッブル定数でしか摂動的に行われず、危険な残余生成や非熱的レプトゲネシスを回避する。

ABSTRACT

Motivated by Refs \\cite{am1,am2}, we analyze how the inflaton decay reheats the Universe within supersymmetry. In a non-supersymmetric case the inflaton usually decays via preheating unless its couplings to other fields are very small. Naively one would expect that supersymmetry enhances bosonic preheating as it introduces new scalars such as squarks and sleptons. On the contrary, we point out that preheating is unlikely within supersymmetry. The reason is that flat directions in the scalar potential, classified by gauge invariant combinations of slepton and squark fields, are generically displaced towards a large vacuum expectation value (VEV) in the early Universe. They induce supersymmetry preserving masses to the inflaton decay products through the Standard Model Yukawa couplings, which kinematically blocks preheating for VEVs $> 10^{13}$ GeV. The decay will become allowed only after the flat directions start oscillating, and once the flat direction VEV is sufficiently redshifted. For models with weak scale supersymmetry, this generically happens at a Hubble expansion rate: $H \\simeq (10^{-3}-10^{-1}) {\ m TeV}$, at which time the inflaton decays in the perturbative regime. This is to our knowledge first analysis where the inflaton decay to the Standard Model particles is treated properly within supersymmetry. There are number of important consequences: no overproduction of dangerous supersymmetric relics (particularly gravitinos), no resonant excitation of superheavy dark matter, and no non-thermal leptogenesis through non-perturbative creation of the right-handed (s)neutrinos. Finally supersymmetric flat directions can even spoil hybrid inflation all together by not allowing the auxiliary field become tachyonic.

研究の動機と目的

• 超対称モデル内でのインフレートン崩壊がどのように宇宙を再熱させるかを理解すること。
• 非超対称系では一般的なプリヒーティングが超対称性ではなぜ抑制されるかを特定すること。
• スカラー・ポテンシャル内の平坦な方向の役割と、インフレートン崩壊の運動的制限への影響を分析すること。
• 再熱が非摂動的崩壊から摂動的崩壊に移行する条件を特定すること。
• gravitino の過剰生成や非熱的レプトゲネシスなどの宇宙論的結果を評価すること。

提案手法

• クォークおよびレプトンのスカラーフィールドのゲージ不変な組み合わせによって形成される平坦な方向に注目した、超対称性におけるスカラー・ポテンシャルの分析。
• 初期宇宙における平坦な方向の真空期待値（VEV）を評価し、それが一般に大きいことを示す。
• 標準模型のヤコビ型カップリングを通じて、インフレートン崩壊生成物の誘導質量を計算し、これらのVEVに依存する。
• 誘導質量がインフレートン質量およびハッブルスケールと比較されることで、崩壊の運動的閾値を特定する。
• スピンの振動中に平坦な方向のVEVが赤方偏移することを追跡し、崩壊が運動的に許容される時期を推定する。
• ハッブル定数の時間発展を用いて、再熱が非摂動的から摂動的崩壊に移行する時期を特定し、H ≈ 10^{-3}–10^{-1} TeV を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラーフィールド（クォークやレプトンの超対称スピンオフ）が存在するにもかかわらず、なぜ超対称モデルではプリヒーティングが抑制されるのか？
• RQ2 スカラー・ポテンシャル内の平坦な方向が、インフレートン崩壊生成物の質量生成にどのように影響するか？
• RQ3 平坦な方向のVEVが赤方偏移した後、どのハッブル定数でインフレートン崩壊が運動的に許容されるようになるか？
• RQ4 摂動的インフレートン崩壊の宇宙論的影響は、gravitino の過剰生成や非熱的レプトゲネシスにどのような意味を持つのか？
• RQ5 平坦な方向が、補助場がタキオン的不安定性を示さないようにすることで、ハイブリッドインフレーションを不安定化させ得るか？

主な発見

• 初期宇宙における平坦な方向の大きな真空期待値が、ヤコビ型カップリングを通じて、超対称性を保つ質量項をインフレートン崩壊生成物に生成する。
• これらの誘導質量が、VEVが 10^13 GeV を超えると、プリヒーティングが運動的に遮断され、非摂動的崩壊が防止される。
• インフレートン崩壊は、平坦な方向のVEVが十分に赤方偏移した後、H ≈ 10^{-3}–10^{-1} TeV のハッブル定数でしか許容されない。
• この段階で再熱は摂動的に進行し、超重いダークマターの共鳴的生成を回避する。
• このモデルは、gravitino や他の危険な超対称リリーフの過剰生成を防ぎ、右隠れニュートリノ（s）ニュートリノを介した非熱的レプトゲネシスを抑制する。
• 平坦な方向は、補助場のタキオン的不安定性を妨げることで、ハイブリッドインフレーションそのものを阻止する可能性でさえある。