[論文レビュー] Supersymmetric $U(1)_{B-L}$ flat direction and NANOGrav 15 year data

Rinku Maji, Wan-Il Park|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

論文は、モノポールと準安定宇宙線を伴う SUSY U(1)_{B-L} の平坦方向シナリオを提案し、熱膨張と結びつけて NANOGrav 15年 SGWB 信号を説明しつつ LISA/DECIGO による高周波カットオフの検証可能性を予測する。

ABSTRACT

We show that, when connected with monopoles, the flat $D$-flat direction breaking the local $U(1)_{B-L}$ symmetry as an extension of the minimal supersymmetric standard model can be responsible for the signal of a stochastic gravitational wave background recently reported by NANOGrav collaborations, while naturally satisfying constraints at high frequency band. Thanks to the flatness of the direction, a phase of thermal inflation arises naturally. The reheating temperature is quite low, and suppresses signals at frequencies higher than the characteristic frequency set by the reheating temperature. Notably, forthcoming spaced-based experiments such as LISA can probe the cutoff frequency, providing an indirect clue of the scale of soft SUSY-breaking mass parameter.

研究の動機と目的

• SUSY 拡張内で U(1)_{B-L} の平坦方向の破れを、確率的重力波の源として動機づける。
• 平坦方向のダイナミクスを熱膨張と低再加熱温度へ結びつけ、高周波 GW 信号を抑制する。
• この設定からの準安定な宇宙線が NANOGrav データを説明しつつ高周波制約を満たすことを示す。
• 将来のミッションで観測可能な GW スペクトルの曲げを介した SUSY ソフトマス範囲の間接的探査を強調する。

提案手法

• SU(3)_c×SU(2)_L×U(1)_R×U(1)_{B-L} 対称性と φ_1 および Φ_2 に沿う D-フラット方向をパラメータ化した SUSY モデルを構築する。
• ソフト SUSY–-breaking 項と非再正規化演算子を含む D-フラット方向のスカラーポテンシャル V を導出する。
• フラット方向による熱膨張を、T_b での開始と T_c での終結として分析し、フラトン崩壊からの再加熱温度 T_d を計算する。
• モノポール–反モノポール対による準安定な字符串の形成と崩壊をモデル化し、尖部のある字符串バーストからの重力波スペクトルを見積もる。
• 放射と物質時代を通じたループ分布を用いた burst 法で GW スペクトルを計算し、ジッパリング効果と T_d による高周波カットオフを含める。
• NANOGrav 15年データに対するベイズ解析を実施して φ_0 および κ を推定し、LV3 制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SUSY フレームワークにおける U(1)_{B-L} の平坦方向の破れは、NANOGrav 15年データと整合する SGWB を生成できるか。
• RQ2 このシナリオでの GW 信号の高周波カットオフは予測されるのか、LISA や DECIGO のような将来検出器で検証可能か。
• RQ3 熱膨張とその後の物質支配時代は準安定な字符串由来の GW スペクトルにどのように影響するか。
• RQ4 GW の分光曲げ周波数から間接的にどのような SUSY ソフト質量スケール情報を推定できるか。

主な発見

Parameter	68% interval	95% interval
log10(φ0/GeV)	[15.64,16.73]	[14.78,16.80]
sqrt(κ)	[7.81,8.09]	[7.80,8.30]

• モデルは、特定のパラメータ選択で NANOGrav 15年信号を説明可能な GW スペクトルを与えつつ高周波制約と整合する。
• GW スペクトルの高周波カットオフは低い再加熱温度 T_d によって設定され、曲げ周波数 f_* が本パラメータセットで LISA 帯域に位置付けられる。
• フラットポテンシャル字符串のジッパリングは GW 信号を強化し、GUT規模の対称性破壊との整合性を持たせる。
• m_φ = 20 TeV のベイズ適合では 68% および 95% 事後信頼区間が、それぞれ log10(φ_0/GeV) = [15.64,16.73] および [14.78,16.80]、 sqrt(κ) = [7.81,8.09] および [7.80,8.30]。
• 予測される GW スペクトルは低周波上昇、プラトー、そして高周波で f^{-1/3} 落ちを特徴とし、曲げ周波数 f_* は T_d に結びつき将来検 detectors で観測可能である。