[論文レビュー] Reheating and Leptogenesis after Pati-Salam F-term Subcritical Hybrid Inflation

B. Charles Bryant, Zijie Poh+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2016

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、F-term準臨界ハイブリッドインフレーションを伴うPati-Salam GUTモデルを提示する。再結合は、ボソンおよびフェルミオンの広帯域パラメトリック共鳴を介したインスタントプリヒーティングによって起こり、バリオゲネシスは3つの右手型（s）ニュートリノのCP非対称崩壊によって生じる。モデルは、ニュートリノヤクバイ行列における位相依存崩壊非対称性のおかげで、微調整を必要とせず、低エネルギー物理、LHCの結果、インフレーション観測量、および正しいバリオン数密度比をうまく再現する。

ABSTRACT

In this paper, we extend the analysis of a Pati-Salam subcritical hybrid $F$-term inflation model, proposed by two of us, by studying the reheating and the baryogenesis (via leptogenesis) of the model. This SUSY GUT model is able to fit low energy electroweak precision data, LHC data, $b$-physics data, in addition to inflation observables such as the tensor-to-scalar ratio and the scalar spectral index. The reheating mechanism of this model is instant preheating due to the bosonic and fermionic broad parametric resonance, while the baryon-to-entropy ratio is obtained from the CP asymmetric right-handed (s)neutrinos decay. The phases in the neutrino Yukawa matrices are fixed by fitting to the low energy observables. With these phases, the heaviest right-handed (s)neutrinos decay to produce a lepton asymmetry with the correct sign, while the two lighter right-handed (s)neutrinos decay to produce the wrong sign. Consequently, the baryogenesis analysis is necessarily performed by including all three families of the right-handed (s)neutrinos.

研究の動機と目的

• 以前に提案されたPati-Salam F-term準臨界ハイブリッドインフレーションモデルを拡張し、再結合およびバリオゲネシスのメカニズムを分析すること。
• インフレーション後に熱浴がどのように生成されるかを、広帯域パラメトリック共鳴を介したインスタントプリヒーティングの観点から調査すること。
• 3つの右手型（s）ニュートリノのCP非対称崩壊から生じるレプトン非対称性を計算し、全世代のニュートリノが関与することを考慮する。
• 低エネルギー観測量、LHCデータ、およびスカラースペクトル指数やテンソル対スカラー比といったインフレーションパラメータを用いて、モデルの妥当性を保証すること。
• バリオン数密度比が微調整なしに自然に達成されることを示し、低エネルギーおよびインフレーションデータに制約されるのみである。

提案手法

• モデルは、Pati-Salamゲージ群に$\mathbb{Z}_4^R$対称性を追加し、インフレートン超多重項$Χ=(1,1,1,2)$と、ウォーターフォール超多重項$S^c=(\bar{4},1,\bar{2},0)$、$\bar{S}^c=(4,1,2,0)$を用いる。
• 再結合は、インフレートンの振動に伴う非摂動的粒子生成によって駆動されるインスタントプリヒーティングによって起こり、ヒッグスおよびヒッグスノ粒子の広帯域パラメトリック共鳴によって媒介される。
• ヒッグスおよびヒッグスノ粒子は、時間に依存する結合$\propto \phi(t) \sin(m_\phi t)$を介して生成され、量子モードの共鳴的増幅を引き起こす。
• 生成されたヒッグスが右手型（s）ニュートリノに崩壊することでレプトン非対称性が生成され、崩壊レートはインフレートン場の振幅およびニュートリノ質量に依存する。
• 右手型（s）ニュートリノの崩壊レートは、振動するインフレートンのダイナミクスに基づく時間平均表現を用いて計算され、$M_{R_i}$および$\alpha\phi_{\text{max}}$によってしきい値が定まる。
• 全系はインフレーション終了から最も重い右手型（s）ニュートリノの崩壊までシミュレートされ、パラメータは低エネルギー物理およびインフレーション観測量によって固定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インスタントプリヒーティングが、広帯域パラメトリック共鳴を介したPati-Salam F-termハイブリッドインフレーションモデルにおける再結合ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ2 最も重いニュートリノと2つの軽いニュートリノがCP非対称性の符号を逆転させるという事実を踏まえ、3つの右手型（s）ニュートリノの全世代がレプトン非対称性生成に果たす役割は何か？
• RQ3 モデルが同時に低エネルギー精密測定データ、LHCの制約、インフレーション観測量（$n_s$, $r$）、および正しいバリオン数密度比を満たすことができるか？
• RQ4 ニュートリノヤクバイ行列における位相が、最終的なレプトン非対称性の符号および大きさにどのように影響するか？
• RQ5 バリオン数密度比が直接の制約でないという事実を踏まえ、インフレートン-ヒッグス結合$\alpha$および再結合温度にモデルが課す制約は何か？

主な発見

• 再結合は、ボソンおよびフェルミオンモードの両方の広帯域パラメトリック共鳴によって駆動されるインスタントプリヒーティングによって起こり、インフレートンの振動中に離散的なバーストとして粒子生成が発生する。
• インフレートンは非摂動的にヒッグスおよびヒッグスノ粒子に崩壊し、$\phi_{\text{max}} \sin(m_\phi t)$に比例する時間依存レートを示す。ピークは$m_\phi t \sim \pi/2$のときを示す。
• プリヒーティング中に生成されたヒッグスは、$\alpha\phi > M_{R_i}$のときのみ右手型（s）ニュートリノに崩壊し、崩壊レートは$\phi_{\text{max}} \sqrt{1 - M_{R_i}^2/\alpha^2\phi_{\text{max}}^2}$に比例する。
• 最も重い右手型（s）ニュートリノは正しい符号のレプトン非対称性を生成するが、2つの軽いニュートリノは逆符号を生成するため、3世代の完全な解析が必要となる。
• 最終的なバリオン数密度比は、全3つの（s）ニュートリノ崩壊からのネットレプトン非対称性によって決定され、インフレートン-ヒッグス結合$\alpha$が非対称性を調整する自由パラメータとして機能する。
• モデルは、すべての低エネルギー物理的データ、LHCの結果、インフレーション観測量（$n_s \approx 0.965$, $r \approx 0.01$）と整合しており、重いグラビティーノ（$m_{3/2} \gtrsim 40$ TeV）およびGUTスケールのモジュライによって宇宙論的問題を回避する。