[論文レビュー] Singling out SO(10) GUT models using recent PTA results

Stefan Antusch, Kevin Hinze+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、二重項・三重項の分裂問題を微調整なしに解消するため、付随表現と基本表現のヒッグス場のみを用いて現実的な超対称的SO(10)統一理論（GUT）を構築する。2つの付随ヒッグス場を有する特定のモデルは、不安定な宇宙ひもネットワークを生成し、ナノヘルツ周波数帯での最近のパルサー計時アレイ（PTA）結果と整合する確率的重力波背景を生じる。

ABSTRACT

In this work, we construct promising model building routes towards SO(10) GUT inflation and examine their ability to explain the recent PTA results hinting at a stochastic gravitational wave (GW) background at nanohertz frequencies. We consider a supersymmetric framework within which the so-called doublet-triplet splitting problem is solved without introducing fine-tuning. Additionally, realistic fermion masses and mixings, gauge coupling unification, and cosmic inflation are incorporated by utilizing superfields with representations no higher than the adjoint representation. Among the three possible scenarios, two of these cases require a single adjoint Higgs field, and do not lead to cosmic strings. In contrast, the third scenario featuring two adjoints, can lead to a network of metastable cosmic strings that generates a GW background contribution compatible with the recent PTA findings and testable by various ongoing and upcoming GW observatories.

研究の動機と目的

• 微調整なしに二重項・三重項分裂問題を解消する現実的な超対称的SO(10) GUTモデルを構築すること。
• 付随表現までを上限とするヒッグス場のみを用いて、現実的なフェルミオン質量、ゲージ結合定数の統一、宇宙インフレーションを統合すること。
• 宇宙ひもが形成され、確率的重力波背景（SGWB）を生成するモデル構築の場面を同定すること。
• 不安定な宇宙ひもを介して検出可能なSGWBを生成できるSO(10) GUTのどの状況が、近い将来の重力波観測所によってテスト可能かを特定すること。

提案手法

• SO(10) GUTモデルを、45H（付随）および10H（基本）表現のヒッグス場を用いて構築し、標準模型（SM）への対称性の破れを実現する。
• 2つの状況（B-LまたはI3R生成子に比例する）で1つの付随ヒッグス場を用い、2つの付随ヒッグス場の状況を用いて対称性の破れパターンを検討する。
• 中間スケールにおけるU(1)対称性の自発的破れを通じてトポロジカルな欠損（特に宇宙ひも）の形成を分析する。
• Buchmüllerら（2021）の形式的枠組みを用い、PTAデータにキャリブレーションされた不安定な宇宙ひもからの確率的重力波背景（SGWB）を推定する。
• ゲージ結合定数の統一を評価する際、縮退した対称性の破れスケールと3 TeVのSUSY破れを仮定し、ゲージ結合定数に1%の不確実性を想定する。
• 2つの付随ヒッグスモデルにおけるYukawaセクターの調整により、d=6型の陽子崩壊を抑制することで、陽子崩壊制約を評価する。

Figure 1 : Examples of GW signals (which we estimate following Buchmuller:2021mbb ) from metastable cosmic strings explaining the recent PTA result NANOGrav:2023hvm while being at the edge of the sensitivity reach of LVK LIGOScientific:2021nrg ; KAGRA:2021kbb . The plot also shows examples of sensit

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 付随および基本ヒッグス表現のみを用いる現実的なSO(10) GUTモデルは、微調整なしに二重項・三重項分裂問題を解消できるか？
• RQ2 どのSO(10) GUTモデル構築状況が、不安定な宇宙ひもネットワークを生成し、確率的重力波背景を生じさせられるか？
• RQ3 このような宇宙ひもネットワークからの重力波信号は、ナノヘルツ周波数帯で共通スペクトル雑音を示す最近のPTA結果と整合するか？
• RQ4 提案されたモデルは、現実的なフェルミオン質量を維持し、陽子崩壊を抑制しながらゲージ結合定数の統一を達成できるか？
• RQ5 どの近い将来の重力波観測所が、不安定な宇宙ひもからの予測されたSGWB信号をテストできるか？

主な発見

• 2つの付随ヒッグス場の状況では、不安定な宇宙ひもネットワークが形成され、PTAの最近の結果と整合する確率的重力波背景を生成する。
• 2つの付随ヒッグス場を有するモデルは、U(1) × U(1)の中間群に至る対称性の破れを経て、約10^9–10^17 GeVのスケールでモノポールとひもの形成スケールがほぼ縮退した不安定な宇宙ひもを形成可能である。
• 宇宙ひもからの予測された重力波信号はPTAデータと重なり合い、LISA、Taiji、TianQin、およびSKAといった現在および将来の観測所の感度限界の縁に位置する。
• モノポール／ひも形成スケールが10^9–10^17 GeVの広い範囲で、GUTスケールが10^16 GeVを超える限り、ゲージ結合定数の統一が達成可能であり、SUSY破れスケールは3 TeVに固定される。
• 2つの付随ヒッグスモデルでは、d=6型陽子崩壊を抑制するためYukawaセクターの調整が必要であり、単一付随ヒッグスケースに比べて自然性に劣るが、依然として妥当である。
• 単一付随ヒッグスモデル（B-LおよびI3Rケース）では、埋め込まれたひもが一般的に不安定であり、検出可能なSGWBを生成しない。よって、PTA信号の説明としては除外される。