SUPERSYMMETRY AND COSMOLOGY By Jonathan L. Feng free download

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Contents
1 Introduction 3
2 Supersymmetry Essentials 4
2.1 A New Spacetime Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Supersymmetry and the Weak Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 The Neutral Supersymmetric Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 R-Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Supersymmetry Breaking and Dark Energy . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Minimal Supergravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Neutralino Cosmology 15
3.1 Freeze Out and WIMPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Thermal Relic Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1 Bulk Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2 Focus Point Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.3 A Funnel Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.4 Co-annihilation Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Direct Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Indirect Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.1 Positrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.2 Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.3 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Gravitino Cosmology 34
4.1 Gravitino Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Thermal Relic Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Production during Reheating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 Production from Late Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5 Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.1 Energy Release . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.2 Big Bang Nucleosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5.3 The Cosmic Microwave Background . . . . . . . . . . . . . . . 47
2
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Prospects 49
5.1 The Particle Physics/Cosmology Interface . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 The Role of Colliders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3 Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 Acknowledgments 55
References 55