グラビティーノ問題 - Tohoku Univ. Particle Theory

グラビティーノ問題
四柳陽（東北大素粒子論） @ 東北大学
素粒子・天文合同研究会「初期宇宙の解明と新たな自然像」
2005/9/20
hep-ph/0507245
With 郡和範（大阪大、Harvard Univ.）、諸井健夫（東北大）
四柳陽（東北大）
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Introduction
 TeV physicsはなにか？
• fine tuning problem
• gauge coupling unification
• Dark Matter
標準模型
超対称標準模型
 超対称性はどのように破れているのか？
 探る手がかり
 加速器(LHC,ILC)
Super particles
 Dark Matter の探索
Lightest susy particles (LSP)
 Cosmology
Gravitino（gravitino problem）
• Gravitino LSP
• Gravitino non LSP
四柳陽（東北大）
this talk
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Introduction
 インフレーション後の再加熱
 グラビティーノの生成
 グラビティーノの崩壊
 BBNの成功を壊す

グラビティーノの質量依存
に対する制限
＆他の現象から得られる
への要請
グラビティーノの質量に対する要請
四柳陽（東北大）
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Plan of this talk
1. イントロダクション
2. グラビティーノ問題
3. 元素合成に対する高エネルギー粒子の影響
4. グラビティーノの崩壊
5. Result
6. 結論
四柳陽（東北大）
4
グラビティーノ問題
四柳陽（東北大）
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Gravitino
 超対称性
フェルミオン
ボソン
クォーク
ゲージーノ
スクォーク
ゲージボソン
グラビィティーノ
グラビトン
 超対称性の破れ
グラビティーノが質量を持つ。
超対称性の破れの機構に大きく依存した質量を持つ。
e.g.)
Gravity med.
Anomaly med.
Gauge med.
四柳陽（東北大）
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Gravitino problem
S.Weinberg (1982)
 gravitino と他粒子の相互作用は非常に弱い。（Planck suppress）
gravitino の寿命は非常に長い
Anomaly med.
Gravity med. Gaugino med.
 宇宙元素合成の時期、
、に崩壊する可能性。
宇宙初期のgravitinoの量
宇宙元素合成 (BBN) の成功を壊す
四柳陽（東北大）
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Abundance of Gravitino
Inflation
After inflation
M.Kawasaki, T.Moroi (1995)
M.Bolz, A.Brandenburg, W.Buchmuller (2001)
Gravitino の量は薄まる。
 宇宙の発展の過程で、熱浴中の粒子の衝突により生成され続ける。
e.g.)
Gravitinoの量
宇宙の再加熱の温度
Gravitino の崩壊、またその崩壊粒子によるBBNへの影
響を調べることで宇宙の再加熱の温度の上限を知ること
が出来る。
四柳陽（東北大）
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元素合成に対する
高エネルギー粒子の影響
四柳陽（東北大）
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Standard BBN
Deuterium
Herium-4
Herium-3
Lithium-7
Lithium-6
Kawasaki, Kohri, Moroi(2004)
四柳陽（東北大）
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Effects of the Gravitino decay on the
BBN
Hadron Production
Lepton
Photon
SM particle
Quark
Gluon
Gravitino
SUSY particle
Hadrons
B
B
N
LSP
Photo-dissociation
Ellis, Gelmini, Lopez, Nanopoulos, Sarkar (1992)
Kawasaki, Moroi (1995)
Holtmann, Kawasaki, Kohri, Moroi (1999)
Hadro-dissociation
P N Conversion
Dimopoulos, Esmailzadeh, Hall, Starkman (1987)
Reno, Seckel (1988)
Kawasaki, Kohri, Moroi(2004)
Jedamzik(2004)
四柳陽（東北大）
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Photo-dissociation
グラビティーノ崩壊

高エネルギーphoton
バックグランド粒子と衝突
以上のエネルギーを持つphotonは抑制される。
 Threshold energy for each reactions
でphoto-dissociationが効いてくる
四柳陽（東北大）
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Hadro-dissociation
グラビティーノ崩壊
高エネルギー P,N
バックグランド粒子と衝突
 P,Nはバックグランドハドロンと衝突する前に電磁相互作用によってエネルギーを失う。
バックグランド粒子と衝突する時に残っている中性子、陽子のエネルギー
中性子
陽子
Kawasaki, Kohri, Moroi(2004)
四柳陽（東北大）
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Hadro-dissociation
高エネルギーの陽子、中性子
高エネルギー
バックグランド粒子と衝突する。
elastic
inelastic
elastic
inelastic
四柳陽（東北大）
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P N conversion

、まだ主な宇宙のハドロンは陽子、中性子である。
が変化

、中性子が燃えてヘリウム４が作られる。
が変化する。
四柳陽（東北大）
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グラビティーノの崩壊
四柳陽（東北大）
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Effects of the Gravitino decay on the
BBN
Hadron Production
Lepton
Photon
New!
SM particle
Quark
Gluon
Gravitino
SUSY particle
Hadrons
B
B
N
LSP
Photo-dissociation
 In this
work
Ellis, Gelmini, Lopez, Nanopoulos, Sarkar (1992)
Kawasaki, Moroi (1995)
Gravitinoの崩壊を一般的なsusy parameterを用い、3体崩壊まで含めて計算した。
Holtmann, Kawasaki, Kohri, Moroi (1999)
Gravitinoの崩壊粒子のcascadeHadro-dissociation
decay、hadronizationを取り入れた。
P N Conversion
崩壊粒子のエネルギー分布を計算し、それらの結果が及ぼすBBNへの影響を調べた。
Dimopoulos, Esmailzadeh, Hall, Starkman (1987)
Reno,
Seckel (1988) に対する上限を求めた。
観測と比べることによって、様々なsusy
parameterで
Kawasaki, Kohri, Moroi(2004)
Jedamzik(2004)
四柳陽（東北大）
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Gravitino decay
 Gravitino interaction
• グラビティーノは局所超対称変換のゲージ場なので
super-currentとの相互作用を持つ。
グラビティーノはある粒子とその超対称粒子へと崩壊する。
ハドロンの
Gravitino
生成
四柳陽（東北大）
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Hadronization and jet particle dependence
Number of hadrons produced by each one jet pair
using Monte Carlo simulation, PYTHIA6.226
Hadronic effects on the BBN
四柳陽（東北大）
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Result
四柳陽（東北大）
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Points
 Gravitino の崩壊モードはSUSYパラメーターによっている。
 mSUGRAを仮定し、
、
以下の4つのポイントをとった。
の大小を代表する点として
region
Case 1
300
141
0
389
30
Coannihilation
Case 2
600
218
0
726
30
Coannihilation
Case 3
300
2397
0
231
30
Focus
Case 4
1200
800
0
-1315
45
funnel
＊全ての点でLSPの量は現在のDMの量を満たしている。
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Branching ratio
Independent of susy parameter
dependent of susy parameter
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Result (case 1)
Susy parameter dependent region
Susy parameter independent region
Photodissociation
Hadorodissociation
p
n conversion
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Results (all)
 大体同じである。
 しかし、gravitinoの質量と
他のSUSY粒子の質量が
同じくらいである領域では
～10倍程度のパラメーター
依存性が存在する。
四柳陽（東北大）
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Conclusion
 My study
• 様々なSUSYパラメーターでgravitinoの崩壊によるBBN
への影響をハドロンの効果も含め調べた。
• 以前の研究に比べ、gravitinoの詳細な崩壊、崩壊粒子の
decay chain, hadronizationを取り入れた。
 Result
• 異なるSUSYパラメーターにおいて宇宙の再加熱の温度に
対する制限は大きくは変わらないことがわかった。
• しかしgravitinoの質量が他の超対称粒子の質量と同じくらい
になるときは、2~10倍、制限が異なる。
四柳陽（東北大）
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