[论文解读] Effects of the Gravitino on the Inflationary Universe

Takeo Moroi|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 1995

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 96

一句话总结

这篇1995年博士论文研究了超引力模型中 gravitino 的宇宙学影响，重点关注其在大爆炸核合成（BBN）和暗物质约束中的作用。通过分析衰变引起的熵产生以及光子/中微子注入，论文推导出对 gravitino 质量的严格限制，结论是 gravitino 质量必须超过 ~10 TeV 才能避免破坏 BBN，而质量大于 1 keV 的稳定 gravitino 会使宇宙过度闭合。

ABSTRACT

Gravitino problem is discussed in detail. We derive an upperbound on the reheating temperature from the constraints of the big-bang nucleosynthesis and the present mass density of the universe. Compared to previous works, we have improve the following three points; (i) the gravitino production cross sections are calculated by taking all the relevant terms in the supergravity lagrangian into account, (ii) high energy photon spectrum is obtained by solving the Boltzmann equations numerically, and (iii) the evolutions of the light elements (D, T, $^3$He, $^4$He) at the temperature lower than $\sim$1MeV are calculated by using modified Kawano's computer code.

研究动机与目标

• 确定超引力模型中 gravitino 质量的宇宙学约束。
• 评估 gravitino 衰变通过高能光子和中微子注入对大爆炸核合成（BBN）的影响。
• 评估不稳定和稳定 gravitino 对重子-光子比和暗物质密度的影响。
• 通过熵产生和轻元素过量生产推导 gravitino 质量的限制。

提出的方法

• 使用超引力中质量 gravitino 的有效拉格朗日量和费曼规则，建立其相互作用和宽度的模型。
• 应用玻尔兹曼方程，模拟早期宇宙中 gravitino 衰变产生的光子和中微子能谱。
• 计算高能注入对大爆炸核合成期间轻元素丰度（D, 3He, 4He, 7Li）的影响。
• 利用原初 4He（Yp = 0.23 ± 0.01）和 7Li（≤2.15）的观测约束，限制重子-光子比 ηB。
• 应用超迹公式，将 gravitino 质量与不同模型中的超对称性自发破缺尺度关联起来。
• 评估 gravitino 对当前质量密度的贡献及其对宇宙闭合性的意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 为防止晚期衰变破坏大爆炸核合成，gravitino 的最小质量是多少？
• RQ2 gravitino 衰变产生的高能光子或中微子注入如何影响轻元素的原初丰度？
• RQ3 观测到的重子-光子比（ηB ≈ 3×10−10）对 gravitino 特性施加了何种约束？
• RQ4 稳定 gravitino 是否可以对宇宙的临界密度做出贡献？该约束排除了何种质量范围？
• RQ5 不同超引力模型（如最小模型与无尺度模型）如何影响 gravitino 质量与超对称性破缺尺度之间的关系？

主要发现

• 为确保衰变发生在大爆炸核合成之前，避免破坏性光子注入，gravitino 质量必须超过 ~10 TeV。
• 若 gravitino 不稳定，其衰变必须发生在温度 >1–10 GeV 时，以防止最轻超对称粒子过量产生，要求 m3/2 > 10^6 – 10^7 GeV。
• 质量大于 1 keV 的稳定 gravitino 会使宇宙过度闭合，因为其当前质量密度超过临界密度。
• 综合 D、3He、4He 和 7Li 观测结果，重子-光子比被限制在 ηB ≈ 2.8×10−10 至 3.3×10−10 之间。
• 原初 7Li 丰度被限制在 [7Li]_p ≤ 2.15，由此得出保守的 ηB 范围为 1.6×10−10 至 4.0×10−10。
• 重子性暗物质密度（ΩB ~ 1）与 h ~ 0.5–1 时的 BBN 预测不相容，表明与观测存在矛盾。