[论文解读] Towards a successful reheating within supersymmetry

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2006

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 6

一句话总结

该论文表明，在超对称模型中，由于平坦方向的真空期望值（VEVs）较大，导致通过 Yukawa 耦合产生质量项，从而动力学上阻止了非微扰衰变，因此在暴胀后发生预热的可能性极低。结果，暴胀子衰变仅以微扰方式在 Hubble 率 H ≈ 10^{-3}–10^{-1} TeV 下发生，避免了危险的遗迹粒子过度产生以及非热重子生成。

ABSTRACT

Motivated by Refs \\cite{am1,am2}, we analyze how the inflaton decay reheats the Universe within supersymmetry. In a non-supersymmetric case the inflaton usually decays via preheating unless its couplings to other fields are very small. Naively one would expect that supersymmetry enhances bosonic preheating as it introduces new scalars such as squarks and sleptons. On the contrary, we point out that preheating is unlikely within supersymmetry. The reason is that flat directions in the scalar potential, classified by gauge invariant combinations of slepton and squark fields, are generically displaced towards a large vacuum expectation value (VEV) in the early Universe. They induce supersymmetry preserving masses to the inflaton decay products through the Standard Model Yukawa couplings, which kinematically blocks preheating for VEVs $> 10^{13}$ GeV. The decay will become allowed only after the flat directions start oscillating, and once the flat direction VEV is sufficiently redshifted. For models with weak scale supersymmetry, this generically happens at a Hubble expansion rate: $H \\simeq (10^{-3}-10^{-1}) {\ m TeV}$, at which time the inflaton decays in the perturbative regime. This is to our knowledge first analysis where the inflaton decay to the Standard Model particles is treated properly within supersymmetry. There are number of important consequences: no overproduction of dangerous supersymmetric relics (particularly gravitinos), no resonant excitation of superheavy dark matter, and no non-thermal leptogenesis through non-perturbative creation of the right-handed (s)neutrinos. Finally supersymmetric flat directions can even spoil hybrid inflation all together by not allowing the auxiliary field become tachyonic.

研究动机与目标

• 理解在超对称模型中暴胀子衰变如何使宇宙再热。
• 识别为何在非超对称情形中常见的预热在超对称理论中被抑制。
• 分析标量势中平坦方向的作用及其对暴胀子衰变动力学的影响。
• 确定再热从非微扰衰变过渡到微扰衰变的条件。
• 评估宇宙学后果，如引力子过度产生和非热重子生成。

提出的方法

• 分析超对称理论中的标量势，重点关注由夸克和轻子超伴子场构成的规范不变组合所形成的平坦方向。
• 评估早期宇宙中平坦方向的真空期望值（VEVs），表明其通常极大。
• 通过标准模型 Yukawa 耦合计算暴胀子衰变产物的诱导质量，其依赖于这些 VEVs。
• 通过比较诱导质量与暴胀子质量及 Hubble 标度，确定衰变的动力学阈值。
• 追踪平坦方向 VEV 在暴胀子振荡期间的红移，估算衰变何时在动力学上被允许。
• 利用 Hubble 率演化确定再热过渡到微扰衰变的时期，估算 H ≈ 10^{-3}–10^{-1} TeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在如夸克超伴子和轻子超伴子等新标量，为何在超对称模型中预热仍被抑制？
• RQ2 标量势中的平坦方向如何影响暴胀子衰变产物的质量生成？
• RQ3 在平坦方向 VEV 红移后，暴胀子衰变在何种 Hubble 率下变得动力学上允许？
• RQ4 微扰暴胀子衰变对引力子过度产生和非热重子生成的宇宙学影响是什么？
• RQ5 平坦方向是否可能通过抑制辅助场的虚质量不稳定性，从而破坏混合暴胀？

主要发现

• 早期宇宙中平坦方向的真空期望值（VEVs）较大，通过 Yukawa 耦合生成了保持超对称性的质量，作用于暴胀子衰变产物。
• 当 VEV 超过 10^13 GeV 时，这些诱导质量动力学上阻断了预热，防止了非微扰衰变。
• 只有当平坦方向 VEV 红移至足够低时，暴胀子衰变才被动力学允许，这一过程发生在 Hubble 率 H ≈ 10^{-3}–10^{-1} TeV 时。
• 此时再热以微扰方式发生，避免了超重暗物质的共振产生。
• 该模型防止了引力子等危险超对称遗迹的过度产生，并通过右手中微子（超伴子）抑制了非热重子生成。
• 平坦方向甚至可能通过抑制辅助场的虚质量不稳定性，阻止混合暴胀的发生。