[论文解读] Re-reheating, late entropy injection and constraints from baryogenesis scenarios

Germano Nardini, Narendra Sahu|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2011

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 4

一句话总结

本文研究了衰变长寿命场（X）在晚期注入熵对先前生成的重子不对称性的稀释作用，该过程被称为再重加热。论文纠正了熵稀释过程中错误的解析近似，并推导出与电弱重子生成、热轻子生成及MSSM中共振轻子生成相容的X场寿命和初始丰度的通用约束，分别对寿命超过 $5\times10^{13}$、$10^{-2}$ 和 $10^{15}\,{\rm GeV}^{-1}$ 的情况给出了强烈约束。

ABSTRACT

Many theories of particle physics beyond the Standard Model predict long-lived fields that may have dominated the Universe at early times and then decayed. Their decay, which injects entropy in the thermal bath, is responsible for a second reheating, dubbed re-reheating, that could substantially dilute the matter-antimatter asymmetry created before. In this paper we analyze such late re-reheating and entropy dilution. It turns out that in some cases the usual analytic calculation badly fails if it is not rectified by some corrective factors that we provide. We also determine the parameter space where the entropy dilution compromises models of baryogenesis. This region can be obtained by imposing some generic constraints that are applicable to any baryogenesis mechanism and long-lived field satisfying a few assumptions. For instance, by applying them to MSSM electroweak baryogenesis, thermal non-resonant leptogenesis and thermal resonant leptogenesis, we obtain that the initial abundances of long-lived fields with lifetime longer than respectively 5*10^13, 10^-2 and 10^15 GeV^-1 are strongly constrained. Similarly, the same baryogenesis scenarios are incompatible with large oscillations of moduli with mass smaller than O(10^8), O(10^13) and O(10^7) GeV that are naturally coupled to the visible sector via gravitational dimension-five operators.

研究动机与目标

• 分析晚期来自衰变长寿命场（X）的熵注入对先前存在的重子不对称性的影响。
• 识别并纠正标准解析近似在再重加热过程中熵稀释时的系统性错误。
• 推导出与重子生成机制相容的X场寿命和初始丰度的通用、模型无关的约束。
• 在假设重子生成与熵注入相互独立的前提下，将这些约束应用于具体重子生成情景——MSSM电弱重子生成、热非共振与共振轻子生成。
• 为评估在一大类宇宙学模型中重子生成与晚期衰变之间的相容性，提供一个实用框架。

提出的方法

• 作者推导了X场衰变期间熵注入的修正解析公式，考虑了X主导时期不明确的非理想条件。
• 通过与数值模拟比较，量化了差异并推导出提高准确性的校正因子。
• 再重加热温度 $T_{\text{rh}}$ 通过熵注入分数 $\xi$ 定义，其中 $T_{\text{rh}}$ 对应该时刻已注入99%的X衰变熵。
• 分析假设重子生成与熵注入为独立过程，从而基于观测到的重子数密度与熵密度比，推导出 $\tau$、$\rho_X^i$ 和 $T_i$ 的约束。
• 通过要求 $T_{\text{rh}} \geq T_{\text{BBN}} = 4\,{\rm MeV}$ 实现BBN约束，同时引入灵活的 $\xi$ 参数以考虑实验和系统性不确定性。
• 通过将X场寿命和初始能量密度的约束转化为模场振幅、质量及与可见 sector 的引力耦合的边界，将结果应用于具体重子生成模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在晚期再重加热背景下，标准熵稀释解析近似为何失效？需要哪些校正因子以提高准确性？
• RQ2 在重子生成与熵注入独立的假设下，与观测到的重子不对称性相容的长寿命场X的寿命和初始丰度的通用约束是什么？
• RQ3 X衰变引起的晚期熵注入在多大程度上破坏MSSM电弱重子生成、热非共振和共振轻子生成模型？
• RQ4 X场参数的约束如何转化为与可见 sector 有引力耦合的模场的约束？
• RQ5 对熵注入分数 $\xi$ 的不同假设如何影响基于BBN的 $T_{\text{rh}}$ 上限以及由此产生的X场参数约束？

主要发现

• 当X主导时期不明确时，标准熵稀释解析近似显著失效，尤其在 $\Delta \lesssim 3$ 时，$T_{\text{rh}}$ 估计误差可达约2.5倍。
• 推导出校正因子，使解析计算与数值结果的吻合度提高，熵估计差异减少至10%以内，$T_{\text{rh}}$ 差异减少至约20%以内（当 $\Delta \gtrsim 3$ 时），并略微加强了BBN对X寿命的上限约束。
• 对于MSSM电弱重子生成，寿命 $\tau \gtrsim 5 \times 10^{13}\,{\rm GeV}^{-1}$ 的X场初始丰度受到强烈约束。
• 对于热非共振轻子生成，寿命 $\tau \gtrsim 10^{-2}\,{\rm GeV}^{-1}$ 的X场受到强烈约束。
• 对于热共振轻子生成，寿命 $\tau \gtrsim 10^{15}\,{\rm GeV}^{-1}$ 的X场受到强烈约束。
• 当X为模场时，约束转化为振幅上限 $\mathcal{X}_i$ 和 $M_X \sqrt[3]{\alpha_X} \gtrsim 10^8\,{\rm GeV}$（电弱重子生成）、$10^{13}\,{\rm GeV}$（热非共振轻子生成）和 $10^7\,{\rm GeV}$（共振轻子生成）的边界。