[論文レビュー] Inflation, superheavy metastable strings and gravitational waves in non-supersymmetric flipped SU(5)

G. Lazarides, Rinku Maji+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy参考文献 78被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、インフレーション後に超重く不安定な宇宙ひもが残存する非超対称フラipped SU(5)ハイブリッドインフレーションモデルを提案する。このモデルは、NANOGrav 15年間のデータとアドバンスド LIGO-Virgo の第3期観測制約に整合する確率的重力波背景を生成する。モデルは、ヒッグス場の量子トンネル効果に起因するモノポール-反モノポール対生成によって $G\mu \sim 10^{-6}$ を達成し、インフレーションが高周波数成分を抑制する一方で、陽子の寿命は $10^{36}-10^{37}$ 年の予測を示す。

ABSTRACT

Motivated by the NANOGrav 15 year data and other recent investigations of stochastic gravitational background radiation based on pulsar timing arrays, we show how superheavy strings survive inflation but the slightly heavier monopoles do not in a non-supersymmetric hybrid inflation model based on flipped $SU(5)$. With the dimensionless string tension parameter $G μ\sim 10^{-6}$, the gravitational wave spectrum emitted by the strings, which are metastable due to breaking caused by monopole-antimonopole quantum mechanical tunneling, is compatible with the latest NANOGrav measurement as well as the advanced LIGO-VIRGO third run data. The string network undergoes about 30 $e$-foldings of inflation which suppresses the spectrum in the LIGO-VIRGO frequency range. With the symmetry breaking chain $SU(5) imes U(1)_X o SU(3)_c imes SU(2)_L imes U(1)_Z imes U(1)_X o SU(3)_c imes SU(2)_L imes U(1)_ Y$, the estimated proton lifetime is of order $10^{36}-10^{37}$ yrs.

研究の動機と目的

• パulsar 時刻測定から得られる観測された確率的重力波背景を、妥当な素粒子物理学的モデルによって NANOGrav とアドバンスド LIGO-Virgo のデータと一致させること。
• インフレーションによる重いモノポールの抑制にもかかわらず、超重く不安定な宇宙ひもがインフレーション後に生存する理由を説明すること。
• インフレーション、不安定なひも、実験的制約と整合する陽子寿命を同時に満たす非超対称フラップド SU(5) モデルを構築すること。
• スカラースペクトル指数とテンソル対スカラー比が、現在の CMB 観測と整合することを保証すること。
• 不安定なひもからの重力波スペクトルを計算し、低周波数および高周波数の観測制約と両立することを確認すること。

提案手法

• 高エネルギー領域で $SU(5) \times U(1)_X$ が未破れのゲージ対称性となる非超対称フラップド SU(5)ゲージ群を用いる。
• 二段階の対称性の破れチェーンを採用：$SU(5) \times U(1)_X \to SU(3)_c \times SU(2)_L \times U(1)_Z \times U(1)_X \to SU(3)_c \times SU(2)_L \times U(1)_Y$ により、ヒッグス場 $\Phi$ および $\Psi$ を介してモノポールとひもが生成される。
• インフレーション場として実スカラー単一状態 $S$ を導入し、コロンベ・ワインバーグの1ループ補正を施したポテンシャルを用いてハイブリッドインフレーションを実現する。
• モノポール-反モノポール対の量子トンネル効果を適用し、モノポールのインフレーション抑制にもかかわらず、ひもを不安定化させることで安定化を実現する。
• $t_F$ に依存する $f^2$ 低周波数成分、スケール不変プラトー、$f^{-1/3}$ 高周波数成分を示す重力波スペクトルを、ひもネットワークから計算する。
• 高周波数スペクトルを抑制するため、$\sim 30$ の $e$-フォールディング数を用い、$G\mu \sim 10^{-6}$ とアドバンスド LIGO-Virgo 第3期観測データの両立を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非超対称フラップド SU(5) モデルは、インフレーション後に生存する超重く不安定な宇宙ひもを生成し、NANOGrav 15年間のデータと整合する重力波スペクトルを発生させることができるか？
• RQ2 インフレーションは、LIGO-Virgo の周波数帯で重力波スペクトルをどのように抑制するが、同時に低周波数帯で検出可能な信号を保つのか？
• RQ3 このモデルで予測される陽子寿命は何か？ また、Super-Kamiokande や Hyper-Kamiokande の現在の実験的制約を満たしているか？
• RQ4 コロンベ・ワインバーグの1ループ補正は、インフレーションポテンシャルおよび $n_s$ や $r$ の観測量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 量子トンネル効果は、モノポールのインフレーション抑制にもかかわらず、不安定なひもを可能にする役割を果たすのか？

主な発見

• モデルは $G\mu \sim 10^{-6}$ の重力波スペクトルを予測し、NANOGrav 15年間のデータとアドバンスド LIGO-Virgo 第3期観測制約と両立する。
• ひもネットワークは約 30 回の $e$-フォールディングを経て、高周波数の重力波パワーが抑制され、LIGO-Virgo 観測と両立可能となる。
• スカラースペクトル指数は $n_s \simeq 0.963$ と予測され、プランクおよび他の CMB 測定と良好に一致する。
• テンソル対スカラー比は $r \sim 10^{-4} - 10^{-3}$ の範囲に推定され、現在の観測制限と整合する。
• 陽子寿命は $\tau_p \approx 2.1 \times 10^{36}$ 年（BP1）および $1.3 \times 10^{37}$ 年（BP2）と推定され、両者とも Super-Kamiokande の下限を上回る。
• インフレーションポテンシャルに対する1ループ補正（コロンベ・ワインバーグ）は、インフレーション観測量との一致をわずかに改善するが、その大きさは小さいままである。