[論文レビュー] Extending Starobinsky inflationary model in gravity and supergravity

S.V. Ketov, Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、$χ=1$ スーパーグラビティモデルを提案し、スタロビンスキーインフレーションを質量のあるベクトル multiplet に埋め込み、$η$-問題を回避するとともに、ポロニイ超場を介した自然なSUSY破れを可能にする。このモデルは、実現可能なCMBスペクトルを達成し、インフレーション期のシュヴィンガー効果による重gravitinoの生成とポロニイ粒子の崩壊を通じて暗黒物質を生成し、特定のスカラー潜在エネルギーデフォーメーション下で原始的ブラックホール（PBH）の形成を可能にする。本モデルは、インフレーション、暗黒物質、暗黒エネルギー、SUSY破れを統合的に扱う枠組みを提供する。

ABSTRACT

We review some recent trends in the inflationary model building, the supersymmetry (SUSY) breaking, the gravitino Dark Matter (DM) and the Primordial Black Holes (PBHs) production in supergravity. The Starobinsky inflation can be embedded into supergravity when the inflaton belongs to the massive vector multiplet associated with a (spontaneously broken) $U(1)$ gauge symmetry. The SUSY and R-symmetry can be also spontaneously broken after inflation by the (standard) Polonyi mechanism. Polonyi particles and gravitinos are super heavy and can be copiously produced during inflation via the Schwinger mechanism sourced by the Universe expansion. The overproduction and instability problems can be avoided, and the positive cosmological constant (dark energy) can also be introduced. The observed abundance of the Cold Dark Matter (CDM) composed of gravitinos can be achieved in our supergravity model too, thus providing the unifying framework for inflation, supersymmetry breaking, dark energy and dark matter genesis. Our supergravity approach may also lead to a formation of primordial non-linear structures like stellar-mass-type black holes, and may include the SUSY GUTs inspired by heterotic string compactifications, unifying particle physics with quantum gravity.

研究の動機と目的

• チャネル multiplet を用いたインフレートンに起因する$η$-問題を回避するため、スタロビンスキー$R^2$インフレーションモデルを質量のあるベクトル multiplet を用いて$χ=1$スーパーグラビティに埋め込むこと。
• ポロニイメカニズムを介してインフレーション後に自然な超対称性（SUSY）の破れを実現し、de-Sitter真空と正の宇宙定数を生成すること。
• 超重いgravitinoとポロニイ粒子を保証することで、gravitino過剰生成およびビッグバン核合成（BBN）問題を解決すること。
• インフレーション期のシュヴィンガー型生成とその後のポロニイ粒子崩壊を通じて、観測されたコールド暗黒物質の密度を生成すること。
• インフレーションダイナミクスにおけるスカラー潜在エネルギーデフォーメーションに起因する不安定性を通じて、特に恒星質量クラスの原始的ブラックホール（PBH）の形成可能性を検討すること。

提案手法

• インフレートンが$D$-項ポテンシャルに属する質量のあるベクトル multiplet を用いて、$χ=1$ スーパーグラビティにスタロビンスキーモデルを埋め込み、$F$-項安定化の問題を回避すること。
• インフレーション後に自然なSUSY破れと正の宇宙定数を生成するために、線形超ポテンシャルを持つポロニイチャネル超場を導入すること。
• インフレーション期におけるシュヴィンガー効果を用いて超重いgravitinoとポロニイ粒子を生成し、ポロニイ粒子の崩壊がgravitino密度に寄与することを考慮すること。
• $V/V_0 = (1 + \xi - e^{-\alpha\phi} - \xi e^{-\beta\phi^2})^2$ の形をした変形されたスカラーポテンシャルを構築し、近似的な不連続点を形成することで、大きな曲率ゆらぎとPBH形成を可能にすること。
• パラメータ$\alpha$, $\beta$, $\xi$ を調整して$ n_s \approx 0.965 $ および $ r \ll 0.1 $ を再現することで、CMB観測とモデルの整合性を保つこと。
• 偽真空から真の真空への一次相転移のダイナミクスとバブル核生成を解析し、PBH形成の源としての第一種相転移を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スタロビンスキーインフレーションモデルは、チャネル multiplet の代わりに質量のあるベクトル multiplet を用いて、$χ=1$ スーパーグラビティに一貫して埋め込むことができるか？
• RQ2 SUSY破れと正の宇宙定数を、BBN制約に反しないスーパーグラビティ枠組み内でインフレーション後に達成する方法は何か？
• RQ3 本モデルにおける観測されたコールド暗黒物質の密度の起源は何か？シュヴィンガー生成とポロニイ崩壊によって説明可能か？
• RQ4 どのような条件下で、恒星質量スケールの原始的ブラックホール（PBH）が本スーパーグラビティモデルで生成可能か？
• RQ5 スカラーポテンシャルの変形は、CMB観測とPBH形成に必要な大きな曲率ゆらぎの両方を満たすことができるか？

主な発見

• 本モデルは、$η$-問題を回避し、$D$-項ポテンシャルによるインフレートンの安定化を実現することで、質量のあるベクトル multiplet を用いてスタロビンスキー$R^2$インフレーションを$χ=1$ スーパーグラビティに成功裏に埋め込んだ。
• 線形超ポテンシャルを持つポロニイ超場の導入により、自然なSUSY破れとde-Sitter真空が実現され、正の宇宙定数と整合的である。
• 超重いgravitinoの生成はインフレーション期のシュヴィンガー生成と、超重いポロニイ粒子の崩壊の両方を介して実現され、$m_{3/2} \sim 10^6$ GeV の場合に観測された残存密度と整合的である。
• 変形されたスカラーポテンシャル $V/V_0 = (1 + \xi - e^{-\alpha\phi} - \xi e^{-\beta\phi^2})^2$ において、$\alpha = \sqrt{2/3}$, $\beta \geq 0$, $\xi \geq 0$ の条件下で、近似的な不連続点が形成され、大きな曲率ゆらぎとPBH生成を可能にする。
• 本モデルは、偽真空からの一次相転移によって恒星質量クラスの原始的ブラックホールが形成可能であり、LIGO/Virgo で検出可能な重力波シグナチャーを示唆する。
• 本フレームワークはCMB観測、BBN制約と整合的であり、インフレーション、暗黒エネルギー、暗黒物質、SUSY破れを統合的に扱う包括的かつ検証可能なシナリオを提供する。高エネルギーニュートリノおよび重力波実験における予測可能な結果を有する。