Non-thermal leptogenesis scenarios are considered as a solution that reconciles leptogenesis with gravitino problem.

Leptogenesis itself is a very attractive explanation of the origin of the baryon asymmetry, whose abundance is determined by observation of cosmic microwave background (CMB) and the theory of big-bang nucleosynthesis (BBN) combined with observed abundances of light elements. In this scenario, lepton and B - L asymmetry is produced in the early evolution of the universe, and lepton asymmetry is converted into baryon asymmetry via sphaleron processes. Since non-vanishing B - L asymmetry is produced in this scenario, washout of baryon asymmetry via sphaleron processes can be avoided. Lepton asymmetry can be produced by CP and L violating decay of heavy Majorana right-handed neutrino, which is introduced in seesaw models to explain light neutrino masses confirmed by neutrino oscillations.

In thermal leptogenesis, the simplest version, right-handed neutrino is produced via thermal processes at an early epoch of the universe. Lepton asymmetry can be produced by out-of-equilibrium decay of thermally produced right-handed neutrino. Thus, this scenario does not require additional assumptions other than the existence of right-handed neutrino, provided with sufficiently high reheating temperature of the universe. The condition for successful thermal leptogenesis is thoroughly investigated in literatures. Results of detailed numerical calculation of the Boltzmann equations, the condition for thermal leptogenesis is shown to be TR ≧ MN ≧ 109GeV, where TR and MN is the reheating temperature of the universe, which is defined as the temperature of the universe at the beginning of radiation-dominant epoch, and mass of lightest heavy right-handed neutrino, respectively.

However, in supersymmetric theories, thermal leptogenesis conflicts with the thermal gravitino problem. The abundance of the gravitino is constrained by BBN (if it is unstable and have sufficiently log lifetime) and/or the abundance of dark matter. Thus, TR is bounded for evading the overproduction of gravitino by thermal scattering. Both the abundance of gravitino produced by thermal scattering and the effect of gravitino on the evolution of the universe depend on the gravitino mass, m(3/2). Therefore, the bound from gravitino overproduction depends on m3/2. For a range 102GeV < m(3/2) < 104GeV, which is predicted in the gravity-mediated SUSY breaking, the constraint is T(reh) ≦ 10(6-9)GeV. In this case, thermal leptogenesis is severely constrained. In chapter 2, we review thermal leptogenesis and see how it conflicts with gravitino problem.

Supersymmetry (SUSY) itself is a very attractive for new physics beyond the SM for several theoretical reasons. Thus, it is interesting problem to find a solution that reconcile leptogenesis scenario with gravitino problem. We consider non-thermal leptogenesis as possible solutions. The basic concept of these scenarios is very simple: high reheating temperature TR ≧ MN is not required if sufficient initial abundance of righthanded neutrino is generated without thermal scattering.

In chapter 3, we consider two kinds of non-thermal leptogenesis. The first is leptogenesis from nonthermally produced right-handed neutrino. Among many scenarios proposed by literatures, we focus on leptogenesis from inflaton decay and leptogenesis from sneutrino condensate. Particularly, for leptogenesis from inflaton decay, besides the well-investigated case that the neutrino decays instantaneously after produced by inflaton decay, leptogenesis is possible if neutrino decays after it dominates the universe. In this case, gravitino problem can be avoided, since the universe is reheated only after the decay of neutrino. We survey broad parameter region including the latter case, and show the condition for this scenario and dependence on parameters, the inflaton decay rate (the reheating temperature), the right-handed neutrino mass, the lightest neutrino mass, and the constraint from the gravitino problem. As a comparison, we also consider another important scenario, leptogenesis from sneutrino condensate, and show the condition for this scenario in the same format as above result.

We also consider leptogenesis via Affleck-Dine (AD) mechanism in chapter 4. In AD mechanism, charge asymmetry is produced by dynamics of a flat direction. Generation of lepton asymmetry by the dynamics of LHu flat direction via AD mechanism is one of attractive scenario, and studied in many literatures. We consider another possibility: generation of large asymmetry in the number density of right-handed sneutrino, n(ΔN)≡ nN-n(N*). This scenario is once considered by Allahverdi & Drees, assuming that the LHu direction is not participate in the dynamics. Large asymmetry Δn(ΔN) can be converted into lepton asymmetry at the decay of sneutrino condensate, through the SUSY breaking effect at finite temperature. However, in general, the LHu direction takes part in the dynamics. because of interaction with right-handed sneutrino. We consider multidimensional evolution of scalar fields, and show that the asymmetry is produced first in the dynamics of right-handed sneutrino, and then it is nonperturbatively transfered to the lepton asymmetry in LHu direction condensate via the interaction between these scalar fields.

本論文は5章からなる。第1章は、イントロダクションであり、本論文の主題となっている宇宙の物質数生成の有力な機構であるレプトジェネシスの歴史的背景およびそれを研究する動機について書かれている。第2章は、レプトジェネシスの中で特に注目されている熱的レプトジェネシスと呼ばれる機構が詳しく解説されている。この機構ではレプトジェネシスの起源である右巻きニュートリノが初期宇宙において熱的に生成されている。そのために初期宇宙の温度は少なくとも10^9 GeVより高い必要がある。このレプトジェネシスの理論を超対称性理論に拡張した場合、初期宇宙の温度がそのように高いとグラビティーノがたくさん生成されてしまい、後の起きるグラビティーノの崩壊により宇宙の元素合成のシナリオが破綻する。

第3章は、上記の問題を解決するために考案された非熱的レプトジェネシスが解説されている。この章では、インフラトン崩壊により右巻きニュートリノを生成する模型についての詳しい解説がなされている。これまでの研究は、模型の持つパラメーター空間の限られた領域でしか解析がなされていない。この章では、パラメーター空間の全ての領域での解析を行う。その結果、レプトジェネシスに必要な初期宇宙の温度の下限値が10^6 GeVであることを示す。このような比較的低い温度では、生成されるグラビティーノの数は抑えられるため、宇宙の元素合成のシナリオが破綻することはない。

第4章は、非熱的レプトジェネシスの中でAffleck-Dine機構についての解説がなされている。この機構ではLHというスカラー場の崩壊により比熱的レプトジェネシスがおきる。この章では、さらに右巻きニュートリノのスカラー場Nをも取り入れたLHとNのスカラー場からなるダイナミックスを解いて比熱的レプトジェネシスを調べている。その結果、宇宙の必要な温度が10^3GeVまで下げられ、また最も軽いニュートリノの質量が10^{-3}eV程度でも宇宙の物質数を説明できることが示されている。これまでの研究では、最も軽いニュートリノの質量は10^{-9}eVであるとされていて、他のニュートリノの質量が10{-1}-10^{-3}eVであることを考慮すると極めて不自然な結果と考えれれていた。本章で得られた結果は極めて重要な研究成果であり、本論文の主要部分である。第5章は、結論と議論にあてられている。

なお、本論文第3章と4章は、瀬波大土との共同研究であるが、論文提出者が主体となって計算を完成したもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。