Wir untersuchen das kosmologische Zusammenspiel von Supersymmetrie, thermaler Leptogenese als Ursprung der Materie und dem Peccei-Quinn-Mechanismus als Lösung des starken CP-Problems.
Der Zerfall des Leichtesten der gewöhnlichen supersymmetrischen Teilchen lässt, falls das Gravitino die Dunkle Materie bildet, üblicherweise die primordiale Nukleosynthese scheitern. Wir untersuchen inwiefern Entropieproduktion dies verhindern kann. Starke Schranken an das entropieproduzierende Teilchen schließen ein generisches thermisches Relikt als Quelle hinreichender Entropie aus. Allerdings ist das Peccei-Quinn-Supermultiplett (Axion, Saxion, Axino) nicht nur im Teilchenspektrum zulässig, sondern das Saxion kann auch eine geeignete Menge an Entropie erzeugen. Als Beispiel dient ein allgemeines Neutralino. Mittels kosmologischer Störungstheorie zeigen wir, dass die dazugehörige Expansionsgeschichte des Universums durch zukünftige Beobachtungen des Gravitationswellenhintergrunds der Inflation ausgeschlossen werden könnte, falls Polarisationsmessungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mit sehr sensitiven Gravitationswellenbeobachtungen kombiniert werden.
Da das selbe Problem auch durch eine kleine Verletzung der R-Parität gelöst werden kann, untersuchen wir die Auswirkungen einer R-Paritätsverletzung auf das Peccei-Quinn-Supermultiplett. Natürliche Spektren werden zulässig. Schranken von spätem Teilchenzerfall werden schwächer als solche von nicht-thermaler Axionproduktion. Somit dient das starke CP-Problem als zusätzliche Motivation für verletzte R-Parität.
Falls ein leichtes Axino das Gravitinoproblem löst, entsteht "Dunkle Strahlung" natürlicherweise nach primordialer Nukleosynthese und vor Photonenentkopplung. Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds könnten einen Anstieg der Strahlungsenergiedichte bestätigen. Diese Lösung des Gravitinoproblems impliziert, dass thermische Leptogenese solch einen Anstieg vorhersagen könnte. Der Large Hadron Collider könnte dies bekräftigen. Im selben Parameterbereich können das Axion und das Axino natürlicherweise die beobachtete Dunkle Materie bilden.
We study the cosmological interplay between supersymmetry, thermal eptogenesis as the origin of matter and the Peccei-Quinn mechanism as solution to the strong CP problem.
We investigate to what extent the decay of the lightest ordinary supersymmetric particle, which usually spoils primordial nucleosynthesis in scenarios with gravitino dark matter, can become harmless due to entropy production. We study this possibility for a general neutralino. We find that strong constraints on the entropy-producing particle exclude generic thermal relics as source of sufficient entropy. However, the Peccei-Quinn supermultiplet (axion, saxion, axino) may not only be part of the particle spectrum, but the saxion can also produce a suitable amount of entropy. Exploiting cosmological perturbation theory we show that the corresponding expansion history can be falsified by future observations of the gravitational wave background from inflation, if polarisation measurements of the cosmic microwave background are combined with very sensitive gravitational wave probes.
Since the same problem can also be solved by a small breaking of R-parity, we investigate the impact of broken R-parity on the Peccei-Quinn supermultiplet. We find that naturally expected spectra become allowed. Bounds from late particle decays become weaker than those from non-thermal axion production. Thus the strong CP problem serves as an additional motivation for broken R-parity.
We show that, if the gravitino problem is solved by a light axino, "dark radiation" emerges naturally after primordial nucleosynthesis but before photon decoupling. Current observations of the cosmic microwave background could confirm an increase in the radiation energy density. The other way around, this solution to the gravitino problem implies that thermal leptogenesis might predict such an increase. The Large Hadron Collider could endorse this opportunity. In the same parameter range, axion and axino can naturally form the observed dark matter.