[论文解读] The B-L Phase Transition: Implications for Cosmology and Neutrinos

Kai Schmitz|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 234被引用 11

一句话总结

本文提出，早期宇宙中的 $B$-$L$ 相变触发了混合 inflation，导致 tachyonic 预加热、宇宙弦形成，以及重 (s) 中微子的产生，这些中微子驱动再加热过程，产生重子不对称性，并实现热 gravitino 的产生。一个关键结果是，当与轻子生成和 gravitino 暗物质一致时，gravitino 质量的下限为 $10\,\text{GeV}$，而通过重 gravitino 衰变，非热 WIMP 暗物质也可能是可行的。

ABSTRACT

We investigate the possibility that the hot thermal phase of the early universe is ignited in consequence of the B-L phase transition, which represents the cosmological realization of the spontaneous breaking of the Abelian gauge symmetry associated with B-L, the difference between baryon number B and lepton number L. Prior to the B-L phase transition, the universe experiences a stage of hybrid inflation. Towards the end of inflation, the false vacuum of unbroken B-L decays, which entails tachyonic preheating as well as the production of cosmic strings. The dynamics of the B-L breaking Higgs field and the B-L gauge degrees of freedom, in combination with thermal processes, generate an abundance of heavy (s)neutrinos. These (s)neutrinos decay into radiation, thereby reheating the universe, generating the baryon asymmetry of the universe and setting the stage for the thermal production of gravitinos. We study the B-L phase transition in the full supersymmetric Abelian Higgs model, for which we derive and discuss the Lagrangian in arbitrary and unitary gauge. As for the subsequent reheating process, we formulate the complete set of Boltzmann equations, the solutions of which enable us to give a detailed and time-resolved description of reheating. Assuming the gravitino to be the lightest superparticle (LSP), the requirement of consistency between hybrid inflation, leptogenesis and gravitino dark matter implies relations between neutrino and superparticle masses, in particular a lower bound on the gravitino mass of 10 GeV. Similarly, in the case of very heavy gravitinos, the nonthermal production of pure wino or higgsino LSPs in heavy gravitino decays can account for the observed amount of dark matter, while simultaneously fulfilling the constraints imposed by primordial nucleosynthesis and leptogenesis.

研究动机与目标

• 探索 $B$-$L$ 相变作为早期宇宙热相起源的宇宙学影响。
• 研究 $B$-$L$ 破坏如何生成重 (s) 中微子，这些中微子驱动再加热并通过对称性破缺生成重子不对称性。
• 推导当 gravitino 为最轻的超对称粒子（LSP）时，中微子参数和超粒子质量的约束条件。
• 研究通过重 gravitino 衰变非热产生纯 wino 或 higgsino LSP 的替代暗物质情景。
• 利用 seesaw 机制中的 Froggatt-Nielsen 颜色结构，约束尚未确定的中微子可观测量。

提出的方法

• 在任意规范和单位规范下，构建完整的超对称阿贝尔希格斯模型拉格朗日量，以描述 $B$-$L$ 相变。
• 推导并求解一组完整的玻尔兹曼方程，以模拟再加热过程中粒子丰度的时间演化。
• 使用 seesaw 机制结合 Froggatt-Nielsen 颜色结构，将重右手中微子质量与轻中微子质量关联起来。
• 计算再加热温度 $T_{\text{RH}}$ 作为 $\widetilde{m}_1$ 和 $M_1$ 的函数，通过 $\eta_B \propto \widetilde{m}_1 / M_1$ 与重子不对称性建立联系。
• 分析 gravitino 丰度 $\Omega_{\widetilde{G}} h^2$ 作为 $m_{\widetilde{G}}$、$m_{\tilde{g}}$ 和 $T_{\text{RH}}$ 的函数，在不同 gluino 质量下求解恒定丰度。
• 推导重标度 gravitino 质量 $m_{\widetilde{G}}$ 的二次方程，以在不同 gluino 质量下保持恒定的暗物质丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 $B$-$L$ 相变能否作为早期宇宙热相的起源，与暴胀和再加热一致？
• RQ2 当 gravitino 为 LSP 时，必须同时满足轻子生成和暗物质约束，对中微子参数和超粒子质量有何约束？
• RQ3 通过重 gravitino 衰变非热产生纯 wino 或 higgsino LSP 是否能解释观测到的暗物质丰度，而不违反核合成或轻子生成的约束？
• RQ4 在 seesaw 模型中引入 Froggatt-Nielsen 颜色结构，如何约束此前未知的中微子可观测量？
• RQ5 为保持恒定的暗物质丰度，重标度 gravitino 质量对 gluino 质量和原始 gravitino 质量的函数关系是什么？

主要发现

• 在大统一尺度的 $B$-$L$ 相变产生 tachyonic 预加热和宇宙弦，为早期宇宙的热相提供了动力学起源。
• 在相变期间产生的重 (s) 中微子衰变为辐射，驱动再加热，并通过对称性破缺生成重子不对称性。
• 为保持与混合暴胀、轻子生成和 gravitino 暗物质的一致性，gravitino 质量的下限为 $10\,\text{GeV}$。
• 当 $m_{\widetilde{G}}^{0} \lesssim 280\,\text{GeV}$ 时，重标度 gravitino 质量 $m_{\widetilde{G}}^{-}$ 更接近原始质量；而当 $m_{\widetilde{G}}^{0} \gtrsim 280\,\text{GeV}$ 时，$m_{\widetilde{G}}^{+}$ 占主导。
• 通过重 gravitino 衰变非热产生纯 wino 或 higgsino LSP 可解释观测到的暗物质密度，同时满足原初核合成和轻子生成的约束。
• 重标度 gravitino 质量遵循二次解 $m_{\widetilde{G}}^{\pm}$，其中 $m_{\widetilde{G}}^{0} \simeq 280\,\text{GeV}$ 标记着自旋 $\pm\frac{1}{2}$ 和 $\pm\frac{3}{2}$ 态对丰度的贡献相等的点。