[论文解读] A Cosmological Upper Bound on Superpartner Masses

Lawrence J. Hall, Joshua T. Ruderman+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文通过分析轻希格斯粒子（LSP）为稳定引力子的模型中引力子的遗迹丰度，推导出宇宙学上对超对称粒子质量的上限。结果表明，若超对称粒子曾处于热平衡状态且引力子为LSP，则由于宇宙的过度闭合，超对称粒子的质量被限制在约10 TeV以下，该上限源于物质-辐射相等温度与普朗克尺度的几何平均值。

ABSTRACT

If some superpartners were in thermal equilibrium in the early universe, and if the lightest superpartner is a cosmologically stable gravitino, then there is a powerful upper bound on the scale of the superpartner masses. Typically the bound is below tens of TeV, often much lower, and has similar parametrics to the WIMP miracle.

研究动机与目标

• 建立一个独立于自然性或电弱精细调节的宇宙学上限，以约束超对称粒子质量。
• 研究当引力子为最轻的超对称粒子（LSP）且LSP在宇宙学上稳定时，对超对称粒子质量的约束。
• 探讨在不同假设下（如再加热温度（$T_R$）、超对称粒子质量标度（$\tilde{m}$）和引力子质量（$m_{3/2}$））该上限如何变化。
• 通过分析晚期衰变和引力子的非热产生，评估具有重超对称粒子的模型的可行性。
• 确定在何种条件下该上限可被规避，特别是当LSP并非通过热冻结过程产生时。

提出的方法

• 假设超对称粒子曾处于热平衡，从热散射、冻结产生和冻结停止过程中推导引力子的遗迹丰度。
• 利用引力子丰度不能导致宇宙过度闭合的条件，推导出超对称粒子质量标度$\tilde{m}$的上限。
• 当热冻结停止被抑制时，应用不等式$\tilde{m}^2 \lesssim \frac{a}{C_D} T_{\text{eq}} M_{\text{Pl}}$，得出$\tilde{m} \lesssim 10^3$ TeV（当$T_R = \tilde{m}$时）。
• 分析次轻的超对称粒子（NLSP）晚期衰变对大爆炸核合成（BBN）的影响，排除具有过多强子或电磁衰变的区域。
• 考虑引力介导情形，其中$m_{3/2}/\tilde{m} \sim M_*/M_{\text{Pl}}$，并针对不同$M_*$和$T_R$值评估约束条件。
• 评估非 degenerate 超对称粒子质量及其对BBN和引力子丰度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 若引力子为LSP且超对称粒子曾处于热平衡，宇宙学过度闭合所允许的最大超对称粒子质量标度是多少？
• RQ2 超对称粒子质量标度$\tilde{m}$的上限如何依赖于再加热温度$T_R$和引力子质量$m_{3/2}$？
• RQ3 在何种情形下，超对称粒子质量的热冻结停止上限可被规避？这些情形下的宇宙学约束是什么？
• RQ4 次轻的超对称粒子（NLSP）的晚期衰变如何影响重超对称粒子模型的可行性？
• RQ5 引力介导对超对称粒子质量标度和引力子遗迹丰度有何影响？

主要发现

• 当引力子为LSP且超对称粒子曾处于热平衡时，超对称粒子质量标度$\tilde{m}$的上限约为10 TeV，这是由于过量产生的引力子导致宇宙过度闭合。
• 当热冻结停止被抑制时，不等式$\tilde{m}^2 \lesssim \frac{a}{C_D} T_{\text{eq}} M_{\text{Pl}}$可导出$\tilde{m} \lesssim 10^3$ TeV，且随着再加热温度升高，该上限更加严格。
• 当$m_{3/2} \approx \tilde{m}$时，BBN对这一区域的约束最强，尤其在$T_R \gtrsim \tilde{m}$时，若引力子过热则该区域被排除。
• 当$M_* \sim M_{\text{Pl}}$且$T_R \sim 10^9$ GeV时，$m_{3/2} \sim 200$ GeV且$\tilde{m}_{\text{nc}} \lesssim 5$ TeV的模型是可行的，且与热轻子生成相容。
• 若LSP并非引力子且其耦合常数可任意微弱，则该上限可被规避，从而使超对称粒子质量可任意大。
• 非简并的超对称粒子质量且质量差较大时，受BBN约束，特别是NLSP的强子衰变会迅速排除大质量差。