グラビティーノ問題

1. 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）

2. 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) Gravitino（gravitino problem） • Cosmology • Gravitino LSP this talk • Gravitino non LSP 四柳 陽 （東北大）

3. 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）

4. 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）

5. グラビティーノ問題 四柳 陽 （東北大）

6. Gravitino • 超対称性 フェルミオン ボソン クォーク スクォーク ゲージーノ 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）

7. 宇宙元素合成の時期、 、に崩壊する可能性。 Anomaly med. Gravity med. Gaugino med. 宇宙初期のgravitinoの量 宇宙元素合成 (BBN) の成功を壊す 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 四柳 陽 （東北大）

8. 宇宙の再加熱の温度 Gravitinoの量 Abundance of Gravitino M.Kawasaki, T.Moroi (1995) M.Bolz, A.Brandenburg, W.Buchmuller (2001) • Inflation Gravitino の量は薄まる。 • After inflation • 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）

9. 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）

10. Standard BBN Deuterium Herium-4 Herium-3 Lithium-7 Lithium-6 Kawasaki, Kohri, Moroi(2004) 四柳 陽 （東北大）

11. Effects of the Gravitino decay on the BBN Hadron Production Lepton B B N Photon SM particle Quark Hadrons Gluon Gravitino SUSY particle 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）

12. Photo-dissociation 高エネルギーphoton バックグランド粒子と衝突 グラビティーノ崩壊 • 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）

13. Hadro-dissociation 高エネルギー P,N バックグランド粒子と衝突 グラビティーノ崩壊 • 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）

14. Hadro-dissociation • 高エネルギーの陽子、中性子 バックグランド粒子と衝突する。 elastic inelastic 高エネルギー elastic inelastic 四柳 陽 （東北大）

15. 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）

16. グラビティーノの崩壊 四柳 陽 （東北大）

17. In this work • 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。 • Gravitinoの崩壊粒子のcascade decay、hadronizationを取り入れた。 • 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。 • 観測と比べることによって、様々なsusy parameterで に対する上限を求めた。 Effects of the Gravitino decay on the BBN Hadron Production Lepton B B N Photon New! SM particle Quark Hadrons Gluon Gravitino SUSY particle 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）

18. 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 生成 Gravitino 四柳 陽 （東北大）

19. 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）

20. Result 四柳 陽 （東北大）

21. 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 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、 、 の大小を代表する点として 以下の4つのポイントをとった。 ＊全ての点でLSPの量は現在のDMの量を満たしている。 四柳 陽 （東北大）

22. Branching ratio Independent of susy parameter dependent of susy parameter 四柳 陽 （東北大）

23. Result (case 1) Susy parameter dependent region Susy parameter independent region Photodissociation Hadorodissociation p n conversion 四柳 陽 （東北大）

24. 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）

25. 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）