[論文レビュー] The Stochastic Gravitational-Wave Background from Primordial Black Holes in R-Symmetric $SU(5)$ Inflation

Nadir Ijaz, Maria Mehmood+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、インフレーションを伴う非最小的ヒッグスインフレーションによって、増幅されたスカラー摂動を介して原始的ブラックホール（PBH）を生成し、現在および将来の検出器で検出可能な確率的重力波背景（SIGW）をもたらす、スケールフリーでR対称性をもつSU(5) GUTモデルを提案する。このモデルはゲージ結合定数の統一を達成し、1つの50重項を用いて自然なダブルット・トリプレット分裂を実現し、tanβ > 42の条件下で観測可能な陽子崩壊を予測する。これは宇宙論的制約と将来の実験（Hyper-KおよびDUNE）と整合的である。

ABSTRACT

This study explores the realization of nonminimally coupled Higgs inflation in the context of no-scale supergravity, investigates the formation of primordial black holes, and examines the potential for observable proton decay within the framework of the R-symmetric $SU(5)$ model. For inflation, both single and multifield scenarios are investigated. The prediction of the single-field model for the tensor-to-scalar ratio, $r$, is approximately $10^{-3}$, and the scalar spectral index falls within Plank's 1$σ$ range. The running of the scalar spectral index, $-{dn_{s}}/{d\ln{k}}$, is approximately $10^{-4}$. A realistic scenario of reheating and non-thermal leptogenesis is employed with reheat temperature $T_r\sim10^9$ GeV. In the multifield case, we mainly focus on Primordial Black Holes (PBHs) and Gravitational Waves (GWs). In this inflationary framework, we demonstrate how a suitable choice of parameters can result in an enhanced scalar power spectrum, leading to the production of primordial black holes (PBHs) capable of fully accounting for dark matter. We also show that this scenario leads to Scalar Induced Gravitational Waves (SIGW) which can be detected in current and future GW detectors. We explore different proton decay channels to look for observable predictions for the next-generation proton decay experiments Hyper-K and DUNE consistent with gauge coupling unification and cosmological bounds.

研究の動機と目的

• ゲージ結合定数の統一と、原始的ブラックホール（PBH）によるダークマターの説明を実現する、スケールフリーでR対称性をもつSU(5) GUTにおける実現可能なインフレーションのシナリオを構築すること。
• 多スカラーインフレーションフレームワークにおけるスカラースペクトルの増幅を通じてPBHの形成を調査すること。
• PBH形成に起因するスカラー誘導重力波（SIGW）の検出可能性を、現在および将来の重力波検出器において探ること。
• 次世代実験（Hyper-KおよびDUNEなど）における観測可能性に焦点を当て、モデルの陽子崩壊予測を評価すること。
• R対称性と1つの50重項を用いることで、ゲージ結合定数の統一、宇宙論的制約、およびダブルット・トリプレット分裂問題の両立を保証すること。

提案手法

• スケールフリーなケーラー・ポテンシャルをR対称性をもつSU(5) GUTに適用し、ヒッグス場をインフレートンとして用いる非最小的ヒッグスインフレーションを実現する。
• 1組の50重項超対称場を用いて自然なダブルット・トリプレット分裂を達成し、軽いヒッグスダブルットと重い色の三重項を保証する。
• スカラースペクトルの増幅を伴う多スカラーインフレーションのフレームワークを採用し、ダークマターを完全に説明可能なPBHを生成する。
• 2次摂動論的理論を用いて、曲率摂動から生じるスカラー誘導重力波（SIGW）を計算する。
• 2ループの整合化群発展（RGE）解析を実施し、MSSMとR対称性をもつSU(5)のゲージ結合定数を統一スケールで一致させる。
• スーパーキャンプ、Hyper-K、DUNEの制約を考慮した上で、カラーダブルットヒッグスノの媒介による次元5のオペレーターを通じて陽子崩壊の分岐比を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケールフリーでR対称性をもつSU(5) GUTモデルに非最小的ヒッグスインフレーションを組み合わせた場合、Planck 2018データと整合するスカラースペクトル指数とテンソル対スカラー比を予測できるか？
• RQ2 多スカラーインフレーションのフレームワークにおいて、ダークマターを完全に説明可能なPBHを生成するパラメータ範囲は何か？
• RQ3 PBH形成に起因するスカラー誘導重力波背景は、現在および将来の重力波検出器で検出可能か？
• RQ4 どの陽子崩壊チャネルおよびパラメータ範囲で、次世代実験（Hyper-KおよびDUNEなど）で観測可能か？
• RQ5 R対称性と1つの50重項の導入により、ゲージ結合定数の統一とダブルット・トリプレット分裂問題の両立がどのように達成されるか？

主な発見

• 単一スカラーインフレーションモデルでは、スカラースペクトル指数が $n_s \sim 0.965$、テンソル対スカラー比が $r \sim 0.0035$ となり、両者ともPlanck 2018の1-$\sigma$範囲内に収まる。
• スカラースペクトル指数の走破は $-dn_s/d\ln k \sim 10^{-4}$ であり、観測的制約と整合的である。
• スカラースペクトルが増幅された多スカラーインフレーションのフレームワークでは、再結合温度 $T_r \sim 10^9$ GeV および $53.3-54.7$ e-folds を伴い、ダークマターを完全に説明可能なPBHが生成される。
• モデルは、スカラー誘導重力波を通じて確率的重力波背景を生成し、LISA、BINGO、Einstein Telescopeなどの現在および将来の重力波検出器で検出可能である。
• 陽子崩壊は $\tan\beta > 42$ の条件下でのみ $\bar{\nu}_i K^+$ チャネルで観測可能であり、$\kappa \geq 0.0005$ の場合、カラーダブルット質量の下限は $M_T \gtrsim 3.4 \times 10^{13}$ GeV となり、宇宙論的制約と整合的である。
• モデルは中間スケールの状態（色八重項、電弱トリプレット、色三重項）を伴い、ゲージ結合定数の統一を達成し、1つの50重項ペアを用いて自然なダブルット・トリプレット分裂を実現する。