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Graf, Peter (2013): The Peccei-Quinn supermultiplet and its cosmological implications. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Das starke CP Problem kann durch den Peccei-Quinn (PQ) Mechanismus gelöst werden, welcher das Axion einführt. In supersymmetrischen (SUSY) Axionmodellen ist die Saxionmasse typischerweise von der Ordnung der Gravitinomasse. Zusammen mit dem Axino können die PQ-Teilchen erhebliche kosmologische Folgen haben. Wir konzentrieren uns auf hadronische Axionmodelle. In diesen Modellen koppeln die PQ-Teilchen nur an zusätzliche schwere (S)Quarks, während alle anderen Teilchen keine PQ-Ladung tragen. Wir berechnen die thermischen Produktionsraten der PQ-Teilchen durch Streuung an Quarks, Gluonen, Squark und Gluinos im heißen Plasma des frühen Universums. Dabei verwenden wir systematische Methoden der Feldtheorie, um ein eichinvariantes, endliches Ergebnis in führender Ordnung in der starken Kopplung zu erhalten. Wir berechnen den thermisch produzierten Yield und die Entkopplungstemperatur von Axionen, Saxionen und Axinos. Wir aktualisieren den Vergleich von thermischen und nicht-thermischen Saxionenergiedichten. Dann betrachten wir hauptsächlich Zerfälle des Saxions in Axionen, welche dann zusätzliche Strahlung bilden. Wir erneuern entsprechende Schranken, auferlegt durch aktuelle Untersuchungen der primordialen He-Menge und durch präzise kosmologische Messungen. Wir zeigen, dass der Trend für zusätzliche Strahlung in diesen Studien durch Saxionzerfälle in Axionen erklärt werden kann. Zwei Szenarien werden im Detail untersucht. Beide Szenarien erklären die kalte dunkle Materie (CDM) und zusätzliche Strahlung in Übereinstimmung mit bestehenden Schranken. Die hohe Reheatingtemperatur nach Inflation in beiden Szenarien ermöglicht Baryogenese durch thermische Leptogenese. (i) Gravitino CDM: Axionen aus dem Zerfall von thermischen Saxionen bilden zusätzliche Strahlung bereits vor der Nukleosynthese und Zerfälle eines aus kosmologischen Gründen schweren Axinos (TeV-Skala) produzieren Entropie. (ii) Axion CDM: Leichte Axinos (eV-Skala) werden bedingt durch Schranken an heiße dunkle Materie. Gravitinos zerfallen spät in Axionen und Axinos, die zusammen mit Strahlung aus früheren Saxionzerfällen existieren können. Der Planck-Satellit wird die zusätzliche Strahlung in beiden Szenarien genau vermessen. Weitere Tests dieser Szenarien sind durch die Suche nach Axionen durch ADMX und nach SUSY-Teilchen am Large Hadron Collider gegeben.

Abstract

The strong CP problem can be solved by the Peccei-Quinn (PQ) mechanism, which introduces the axion. In supersymmetric (SUSY) axion models, the saxion mass is typically of order of the gravitino mass. Together with the axino, the PQ particles and their decay products can then have potentially severe cosmological effects. We focus on hadronic axion models. In these models, the PQ particles couple to additional heavy (s)quarks, whereas all other particles do not carry PQ charge. We calculate the thermal production rate of axions, saxions, and axinos via scatterings of quarks, gluons, squarks, and gluinos in a hot primordial plasma. Systematic field theoretical methods are applied to obtain a gauge-invariant, finite result consistent to leading order in the strong gauge coupling. We compute the thermally produced yield and the decoupling temperature for axions, saxions, and axinos. We update the comparison of the energy density of thermal and misalignment saxions. Then, we mainly focus on the case where saxions decay into axions, which provide extra radiation. We update associated limits imposed by recent studies of the primordial He abundance and by precision cosmology. We show that the trend towards extra radiation seen in those studies can be explained by late decays of thermal saxions into axions. Two cosmological scenarios are analyzed in detail. Both scenarios consistently explain cold dark matter (CDM) and extra radiation in agreement with existing limits. Moreover, the high reheating temperature after inflation possible in these scenarios allows for baryogenesis through thermal leptogenesis. (i) Gravitino CDM: Axions from decays of thermal saxions provide extra radiation already prior to big bang nucleosynthesis (BBN) and decays of axinos with a cosmologically required TeV-scale mass can produce extra entropy. (ii) Axion CDM: A light eV-scale axino is required by hot dark matter constraints. Weak-scale gravitinos decay into axions and axinos. These decays lead to late extra radiation after BBN which can coexist with the early contributions from saxion decays. Results of the Planck satellite will probe extra radiation for both scenarios. Further experimental prospects are the searches for axions at the axion CDM experiment ADMX and for supersymmetric particles at the Large Hadron Collider.