[论文解读] Supermassive gravitinos, dark matter, leptogenesis and flat direction baryogenesis

Rouzbeh Allahverdi, Steen Hannestad+3 more|ArXiv.org|Apr 13, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 97被引用 5

一句话总结

本文研究了在高尺度超对称性自发破缺模型中，大质量引力ino（m₃/₂ ≥ 50 TeV）的宇宙学影响。研究表明，此类引力ino可通过衰变主导产生暗物质，放松宇宙再热温度与右手中微子质量在热重子生成机制中的约束，并稀释平面方向重子生成导致的过量重子不对称性，从而在高尺度SUSY情景下实现可行的暗物质与重子生成。

ABSTRACT

In general the gravitino mass and/or the soft supersymmetry breaking masses in the observable sector can be much larger than the TeV scale. Depending on the relation between the masses, new important channels for gravitino production in the early Universe can arise. Gravitinos with a mass above 50 TeV decay before big bang nucleosynthesis, which leads to relaxation of the well known bound on the reheating temperature $T_{ m R} \leq 10^{10}$ GeV. However, if the heavy gravitinos are produced abundantly in the early Universe, their decay can alter the abundance of the lightest supersymmetric particle. Moreover, they may dominate the energy density of the Universe. Their decay will in this case increase entropy and dilute already created baryon asymmetry and dark matter. Such considerations put new constraints on gravitino and sfermion masses, and the reheating temperature. In this paper we examine various cosmological consequences of supermassive gravitinos. We discuss advnatges and disadvantages of a large reheating temperature in connection with thermal leptogenesis, and find that large parts of the parameter space are opened up for the lightest right-handed (s)neutrino mass. We also discuss the viability of Affleck-Dine baryogenesis under the constraints from gravitino decay, and gravitino production from the decay of Q-balls.

研究动机与目标

• 研究在高尺度超对称性自发破缺模型中，大质量引力ino（m₃/₂ ≥ 50 TeV）的宇宙学后果。
• 评估引力ino衰变对引力ino主导宇宙中暗物质丰度与重子不对称性的影响。
• 通过允许大质量引力ino的存在，放松热重子生成机制中再热温度与右手中（超）中微子质量的约束。
• 评估当引力ino衰变稀释了早期生成的大量初始重子不对称性时，Affleck-Dine重子生成机制的可行性。
• 分析来自Q球衰变的引力ino产生及其在稀释平面方向凝聚态产生的过量重子不对称性中的作用。

提出的方法

• 通过早期宇宙中selectron衰变与标量场衰变分析引力ino的产生，使用热与非热产生速率。
• 应用大爆炸核合成（BBN）与暗物质遗迹密度的约束，限制引力ino与selectron的质量。
• 在引力ino衰变与稀释存在的前提下，评估具有大质量右手中（超）中微子（M₁ ≥ 10¹⁴ GeV）的热重子生成机制。
• 建立晚期重子生成的模型，通过平面方向凝聚态与Q球形成，计算其衰变为引力ino的过程。
• 使用有效场论与衰变速率计算，确定早期宇宙中引力ino丰度与熵注入。
• 基于方程 (15)、(19)、(24)、(28)、(47)、(48)、(59)、(60)，从暗物质与重子不对称性约束推导出selectron质量（m̃）与引力ino质量（m₃/₂）的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量引力ino（m₃/₂ ≥ 50 TeV）是否可通过衰变作为非热暗物质的可行来源？
• RQ2 在引力ino主导的宇宙中，引力ino衰变如何影响重子不对称性，尤其是在不对称性早期生成的情况下？
• RQ3 BBN、暗物质与LSP湮灭的联合约束对引力ino与selectron质量尺度施加了何种限制？
• RQ4 若引力ino为大质量且在BBN前衰变，是否可在热重子生成机制中允许较高的再热温度（T_R ≥ m̃）？
• RQ5 Q球衰变为引力ino在多大程度上可稀释由平面方向凝聚态振荡生成的大规模重子不对称性？

主要发现

• 质量为 m₃/₂ ≥ 50 TeV 的引力ino在大爆炸核合成前衰变，放松了标准的再热温度上限 T_R ≤ 10¹⁰ GeV。
• 在R-奇偶性守恒模型中，通过引力ino衰变实现成功的非热暗物质生成，要求 m₃/₂ > 50 TeV，且LSP湮灭足够强以避免过量产生。
• 在引力ino主导情景中，热LSP丰度被稀释，但若 m_χ > 2 TeV，则通过非热衰变会导致过量产生，从而排除此类重LSP的引力ino主导情形。
• 当 m₃/₂ ≥ 50 TeV 时，热重子生成机制在更高的再热温度与更大的右手中（超）中微子质量（M₁）下成为可行，放松了先前的约束。
• 对于 M₁ ≥ 10¹⁴ GeV，热重子生成机制因轻子数破坏散射而失效；这在引力ino主导模型中对 M₁ 施加了上限。
• Q球衰变为引力ino提供了大量引力ino产生的自然来源，可有效稀释由平面方向凝聚态产生的重子不对称性，尤其适用于寿命较长的大Q球。