[論文レビュー] Dark matter and Inflation in PeV scale SUSY

Girish Kumar Chakravarty, Najimuddin Khan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2017

Computational Physics and Python Applications被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、CMB観測と整合するPeVスケールの統一的 supersymmetric（SUSY）モデルを提案し、同時に宇宙初期膨張とIceCubeで観測されたPeVスケールのニュートリノを説明する。no-scale KählerポテンシャルとHiggs-スネュートリノ結合によるD-termインフレーションを用いることで、Starobinsky型インフレーションを達成し、6 PeVのビノ型ダークマター粒子を生成する。この粒子は全リlic密度の約11%を占め、ニュートリノへの崩壊によりIceCubeのエネルギースペクトルを再現する。ゲージ統一と125 GeVのヒッグス粒子は、GUTスケールでのSUSY破れからのRGEによる整合的低エネルギースペクトルによって保たれる。

ABSTRACT

We construct an unified model of inflation and PeV dark matter which is consistent with the CMB observations and can explain the PeV neutrinos at IceCube. A no-scale K\ahler potential and an appropriate choice of gauge kinetic function in MSSM superfields can result in Starobinsky like Higgs-sneutrino plateau inflation from $D$-term potential. The SUSY breaking at the PeV scale is achieved through the Polonyi field. This sets the scales $m_0, m_{\frac{1}{2}}, A_0$ at the GUT scale in terms of the parameters of the theory. The low energy (PeV scale) spectrum is obtained by running the RGEs. We show that the $\sim$125 GeV higgs and the gauge coupling unification can be achieved in this model. The $6$ PeV bino-type dark matter is a subdominant fraction ($\sim 11\%$) of the relic density and its decay gives the PeV scale neutrino flux observed at IceCube by choosing the couplings of the $R$-parity violating operators.

研究の動機と目的

• CMB観測と整合する、1つの超対称的フレームワーク内でインフレーションとPeVスケールのダークマターを統一すること。
• 高エネルギーSUSY破れを伴うモデルにおいて、125 GeVのヒッグスボソンの起源とゲージ結合定数の統一を説明すること。
• IceCubeが観測したPeVニュートリノフラックスを、重いビノ型ダークマター粒子の崩壊によって説明すること。
• no-scale MSSM設定下でヒッグスおよびスネュートリノ場を用い、D-termインフレーションを実現し、Starobinsky型の平坦なインフレーションプラトーを達成すること。
• Polonyi媒介SUSY破れによって設定されるGUTスケール境界条件から、GUTスケールでのSUSY破れを経て、整合的な低エネルギースペクトルをRGEによって得ること。

提案手法

• MSSM超場においてno-scale Kählerポテンシャルと特定のゲージカーネル関数を用い、インフレーションのための平坦なD-termポテンシャルを生成する。
• Polonyi場を用いてPeVスケールで超対称性を破壊し、m₀、m₁/₂、A₀のGUTスケール境界条件を設定する。
• GUTスケールから電弱スケールまで、RGEを走査することで低エネルギースペクトルを決定する。
• R-数不変のオペレーターを調整された結合定数で導入し、6 PeVのビノ型ダークマターがニュートリノに崩壊するのを許容し、IceCubeのフラックスと一致させる。
• D-term寄与を介して、ヒッグス-スネュートリノハイブリッドポテンシャルを構築し、Starobinsky型インフレーションプラトーを実現する。
• インフレーションモデルにおけるスカラースペクトル指数とテンソル対スカラー比を検証することで、CMB観測と整合することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのPeVスケールSUSYモデルが、成功裏なD-termインフレーションとIceCubeが観測したPeVニュートリノフラックスの両方を同時に説明できるか？
• RQ2 高エネルギーSUSY破れを伴うモデルにおいて、125 GeVのヒッグス質量とゲージ結合定数の統一はどのように達成されるか？
• RQ3 Polonyi場は、この統一的フレームワークにおけるスオーマスのGUTスケール境界条件をどのように設定するか？
• RQ4 R-数不変のオペレーターを含めることで、重いビノ型ダークマターがPeVニュートリノに崩壊可能となる仕組みは何か？同時にリlic密度制約と整合的か？
• RQ5 no-scale KählerポテンシャルとD-termポテンシャルが、共同でStarobinsky型インフレーションプラトーをどれほどよく再現できるか？

主な発見

• ヒッグスおよびスネュートリノ場を含むD-termポテンシャルにより、CMB観測と整合するStarobinsky型インフレーションプラトーが実現された。
• PeVスケールでのSUSY破れによって設定されるGUTスケール境界条件から、RGEによる走査によって125 GeVのヒッグスボソン質量が成功裏に再現された。
• ゲージ結合定数の統一がモデルで保たれ、最小的超対称的統一理論との整合性を示した。
• 6 PeVのビノ型ダークマター粒子は、全リlic密度のおよそ11%を占め、宇宙論的制約と整合的であった。
• R-数不変のオペレーターを介したこのダークマターのニュートリノへの崩壊により、IceCubeで観測されたPeVニュートリノフラックスが再現された。
• すべてのパラメータがGUTスケールでの理論から決定され、RGE走査によって整合的な低エネルギースペクトルが得られた。