[论文解读] Quasi-thermal Universe: from cosmology to colliders

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|May 6, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种准热宇宙场景：在暴胀之后，系统迅速建立动理平衡，但化学平衡因数目 violating 相互作用效率低下而被延迟。这导致若干关键影响：引力ino产生不再对原初温度施加上限，从而允许右手中微子质量超过 10⁹ GeV 以实现热轻子生成；暗物质的超对称粒子质量可显著降低；电弱对称性可能无法恢复，导致电弱重子生成机制失效。

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 interactions 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 a consequence the lightest right handed neutrino mass can be $\\gg 10^{9}$ GeV in the case of thermal leptogenesis. In order to have a successful dark matter creation the masses of the lightest supersymmetric particles, i.e. Wino or Higgsino, can be considerably reduced which will provide specific collider signatures, depending on the phase the Bino type cold dark matter can also be accommodated in the bulk region. 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

• 研究暴胀后阶段中动理平衡已建立但化学平衡被延迟的宇宙学后果。
• 评估早期化学平衡缺失对热引力ino产生及其对原初热浴最高温度上限的影响。
• 在准热框架下探讨热轻子生成与暗物质产生的可行性。
• 评估电弱对称性未恢复对电弱重子生成的影响。
• 识别对撞机物理中的可观测信号，特别是超对称暗物质候选者的特征。

提出的方法

• 分析暴胀子衰变后宇宙中粒子分布，假设动理平衡且遵循绝热演化。
• 建模数目违反相互作用的延迟启动，这些作用是实现化学平衡所必需的。
• 应用热场论技术，计算在未达完全热平衡条件下引力ino的产生率。
• 在准热条件下评估热轻子生成中右手中微子质量的约束。
• 在相同框架下评估最轻超对称粒子（Wino、Higgsino、Bino）作为暗物质候选者的遗迹密度。
• 考虑电弱相变及早期宇宙中对称性未恢复的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀子衰变后化学平衡延迟的宇宙学后果是什么？
• RQ2 若早期化学平衡缺失，引力ino过量是否仍对原初热浴最高温度构成上限？
• RQ3 在准热条件下，右手中微子质量超过 10⁹ GeV 时，热轻子生成是否仍可实现？
• RQ4 在准热宇宙中，为实现成功暗物质遗迹密度，最轻超对称粒子（LSP）的质量将如何变化？
• RQ5 若电弱对称性从未恢复，电弱重子生成的实现程度如何？

主要发现

• 在准热场景中，热引力ino产生对原初热浴的最高温度不构成上限。
• 在热轻子生成中，右手中微子质量可超过 10⁹ GeV 而不违反引力ino约束。
• 最轻超对称粒子（Wino 或 Higgsino）的质量可显著降低，以实现成功的暗物质遗迹密度。
• Bino 型冷暗物质可在参数空间的大部分区域被容纳，具体取决于超对称模型的相位。
• 在此框架下，电弱对称性在早期宇宙可能从未恢复，从而削弱电弱重子生成的前景。
• 准热场景因超对称粒子更轻及暗物质产生机制改变，导致特定且可检验的对撞机信号。