[论文解读] Quasi-thermal Universe and its implications for gravitino production, baryogenesis and dark matter

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|ArXiv.org|May 6, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文提出，暴胀子衰变后，早期宇宙可能进入一个持续的准热平衡阶段，此时动量平衡得以建立，但因数目违反反应受抑制，化学平衡被延迟。这改变了关键的宇宙学约束：引力微子产生不再对再热温度施加上限，重右手中微子的质量需比以往认为的更重才能实现轻子生成，而更轻的 Wino/希格斯ino 或 Bino 暗物质候选者成为可行方案；若对称性未恢复，则电弱重子生成可能被排除。

ABSTRACT

Under general circumstances full thermal equilibrium may not be established for a long period after perturbative or non-perturbative decay of the inflaton has completed. One can instead have a distribution of particles which is in kinetic equilibrium and evolves adiabatically during this period. Number-violating reactions which are required to establish chemical equilibrium can become efficient only at much later times. We highlight some of the striking consequences of such a quasi-thermal Universe. In particular, thermal gravitino production yields {\it no bound} on the maximum temperature of the primordial thermal bath alone. As another consequence, the lower bound on the mass of the lightest right-handed (s)neutrino from thermal leptogenesis can be $\gg 10^{9}$ GeV. Depending on the phase, a Wino or Higgsino considerably lighter than TeV, or a Bino in the bulk region, can be a viable {\it thermal} dark matter candidate. Finally the electroweak symmetry may never be restored in the early Universe, therefore weakening any hopes of realizing a successful electroweak baryogenesis.

研究动机与目标

• 研究暴胀子衰变后宇宙长期处于准热态而非完全热平衡状态时的宇宙学影响。
• 评估延迟化学平衡对引力微子产生、重子生成及暗物质丰度的影响。
• 确定在非平衡热历史条件下，标准的再热温度、右手中微子质量及暗物质质量上限是否可被放宽。
• 评估在准热宇宙中若对称性未恢复，电弱重子生成的可行性。

提出的方法

• 将早期宇宙建模为暴胀子衰变后，共动数密度和能量保持恒定的准热态。
• 使用动量平衡与化学平衡速率：Γ_kin ∼ α²n/m_g² 与 Γ_thr ∼ α³n/m_g²，其中 m_g ∝ ⟨φ⟩ 来自平坦方向的真空期望值。
• 引入参数 A ≡ ρ_eq / ρ_non_eq 以量化与完全平衡的偏离程度，影响热修正与冻结过程。
• 应用冻结方程 n_χ/s ∼ A^(-1/4) x_f (0.2/c_χ)(m_χ/M_P) 计算准热相中的遗迹丰度。
• 分析标量质量的热修正为 AT²，导致电弱相变温度 T_cr ∼ A^(-1/2)m_EW 发生改变。
• 通过 exp(–m_W/T) 评估 sphaleron 抑制效应，尤其在 m_W ≫ T 时，若 A ≫ 1 则尤为显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 在准热宇宙中，热引力微子产生是否仍对再热温度施加上限？
• RQ2 在非平衡热历史中，热轻子生成所需的右手中（s）中微子质量下限是否可显著高于 10⁹ GeV？
• RQ3 若冻结发生在准热相，Wino 或希格斯ino 类 LSP 是否可轻于 1 TeV？
• RQ4 若热化被延迟，Bino 类 LSP 在‘体区域’是否仍可作为可行的暗物质候选？
• RQ5 若因热化过晚导致电弱对称性从未恢复，电弱重子生成是否仍可能？

主要发现

• 热引力微子产生不再对最大再热温度构成约束，因标准单位性约束对引力微子丰度在准热相中不适用。
• 对于热轻子生成，右手中（s）中微子质量的下限可超过 10⁹ GeV，具体取决于热历史与参数 A。
• 若冻结发生在准热相，Wino 或希格斯ino 类 LSP 可轻于 1 TeV，且可作为可行的热暗物质候选。
• 当 A ≫ 1 时，Bino 类 LSP 可在体区域成为可行的暗物质候选，因延迟热化抑制了其遗迹丰度。
• 若 A < (m_EW/T_max)²，则电弱对称性可能从未恢复，导致 sphaleron 转换缺失，从而削弱电弱重子生成的可能性。
• 当 A ≫ 1 时，即使在电弱相变之前，sphaleron 过程也因 m_W ≫ T 而被指数抑制，进一步不利于电弱重子生成。