[论文解读] Gravitino production in the Randall-Sundrum II braneworld cosmology

N. M. C. Santos|ArXiv.org|Feb 20, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了在朗道-萨恩德鲁 II 范式宇宙学中引力费米子的产生，表明范式宇宙学对弗里德曼方程的修正——特别是高能区 H ∝ ρ 而非 H ∝ √ρ 的情形——可显著改变对再热温度和重标量质量的约束。关键结果是，这些修正放松了标准宇宙学的约束，使得在满足大爆炸核合成与暗物质约束的前提下，可允许更高的再热温度和更重的标量粒子。

ABSTRACT

Braneworld modifications to the Friedmann expansion law can have an important effect on the cosmological evolution of the early universe. In particular, the primordial particle abundances crucially depend on the rate at which the universe expanded at early times. In this article, we study the production of stable and unstable gravitinos, both from thermal creation and from the decay of a heavy scalar, in the Randall-Sundrum II braneworld context. We conclude that, depending on the value of the 5D fundamental Planck mass, some of the usual standard cosmology constraints on the reheating temperature and on the mass of the heavy scalar can be evaded.

研究动机与目标

• 研究朗道-萨恩德鲁 II 模型中的范式宇宙学如何影响通过热过程和标量衰变产生的引力费米子。
• 评估 RSII 模型中修正的弗里德曼方程是否能够规避标准宇宙学对再热温度和重标量质量的约束。
• 确定满足大爆炸核合成与暗物质过密闭度约束的稳定与不稳定引力费米子的参数空间。
• 探讨在范式宇宙学条件下对模问题与暴胀模型的启示。
• 识别引力费米子暗物质与标量衰变速率在高能范式宇宙学区域中的可行参数范围。

提出的方法

• 使用 RSII 范式宇宙学模型中的修正弗里德曼方程：H² = (8π/3Mₚ²)ρ(1 + ρ/(2λ))，该方程在低能时退化为标准宇宙学，但在高能时产生 H ∝ ρ 的行为。
• 推导出转变温度 Tₜ ∝ (M₅⁶ / Mₚ²)¹ᐟ⁴，其中 M₅ 为五维基本普朗克质量，标志着范式宇宙学效应的开始。
• 通过重标量 X 热散射与衰变为两个引力费米子（耦合常数 α₃/₂，分支比 Bₕ）来建模引力费米子的产生。
• 应用大爆炸核合成（BBN）对引力费米子丰度的约束，要求对不稳定引力费米子有 Y₃/₂ ≤ 4×10⁻¹⁷。
• 施加暗物质过密闭度约束，要求对稳定引力费米子有 Ω₃/₂h² ≤ 0.143 且 Bₕ ≤ 4.5×10⁻⁴。
• 将标准宇宙学（SC）与范式宇宙学（BC）的结果进行比较，识别出 BC 放松 SC 约束的参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 范式宇宙学对弗里德曼方程的修正如何影响引力费米子的产生率与丰度？
• RQ2 在 RSII 范式宇宙学模型中，为避免违反 BBN 约束，再热温度与重标量场质量最多可提高到何种程度？
• RQ3 与标准宇宙学相比，范式宇宙学情景下引力费米子质量、耦合常数 α₃/₂ 与分支比 Bₕ 的可行参数范围是什么？
• RQ4 由于对标量衰变与引力费米子产生的约束放松，模问题是否可在范式宇宙学模型中得到缓解？
• RQ5 温暗物质约束如何影响在范式宇宙学背景下引力费米子暗物质的允许参数空间？

主要发现

• 范式宇宙学修正使得再热温度与标量质量可高于标准宇宙学中的值，因为在高能范式宇宙学区域中，BBN 对引力费米子丰度的约束不再限制这些参数。
• 对于不稳定引力费米子，M₅ 的上限被放松：当 m₃/₂ = 1 TeV 时，M₅ ≲ 3.3×10¹⁰ GeV；当 m₃/₂ = 10 TeV 时，M₅ ≲ 9.7×10¹² GeV，具体取决于引力费米子质量。
• 在范式宇宙学区域中，由引力费米子过量产生导致的 M_X 与 T_rh 上限被解除，使得这些参数的取值可显著高于标准宇宙学中的值。
• 对于稳定引力费米子，温暗物质约束（Bₕ ≲ 4.5×10⁻⁴）要求 α₃/₂ ≲ 0.1αₜ，该条件在范式宇宙学模型中比在标准宇宙学中更容易满足。
• 由于约束放松，该模型允许模场质量高达 O(10¹¹–10¹²) GeV 的范式宇宙学情景，而标准宇宙学中则低一个数量级。
• 在特定暴胀模型（如混沌或混合暴胀）中，可实现 α₃/₂ = 0，从而消除由标量衰变产生的引力费米子，这与范式宇宙学约束一致。