[논문 리뷰] $\alpha $-Attractors: Planck, LHC and Dark Energy

John Joseph M. Carrasco, Рената Каллош외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 04.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 33인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 로그 카일러 포텐셜, 니플레턴트 골드스타이노 필드, 그리고 자발적 초대칭 붕괴를 갖는 일반화된 $\alpha$-어트랙터를 기반으로 한 사파rameter 초중력 이론 모델을 개발한다. 이 모델은 $n_s$, $r$, 그리고 우주론적 상수 $\Lambda$ 가 플랑크 측정치와 일치하도록 고정되면서도, 중성미온 질량 $m_{3/2}$ 와 $r$ 를 자유 매개변수로 허용하여 LHC와 향후 B-모드 실험으로부터 직접 제약 조건을 얻을 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We develop four-parameter supergravity models of inflation and dark energy, constrained so that ${\\delta\ ho\\over \ ho}$, $n_s$ and the cosmological constant $\\Lambda $ take their known observable values, but where the mass of gravitino $m_{3/2}$ and the tensor-to-scalar ratio $r$ are free parameters. We focus on generalized cosmological $\\alpha$-attractor models, with logarithmic Kahler potentials, a nilpotent goldstino and spontaneously broken supersymmetry at the de Sitter minimum. The future data on B-modes will specify the parameter $\\alpha$, measuring the geometry of the Kahler, manifold. The string landscape idea for dark energy is supported in these models via an incomplete cancellation of the universal positive goldstino and negative gravitino contribution. The scale of SUSY breaking M related to the mass of gravitino in our models is a controllable parameter, independent on the scale of inflation, it will be constrained by LHC data and future collider Energy-frontier experiments.

연구 동기 및 목표

• Planck 측정치인 $n_s$ 와 $r$, 그리고 관측된 우주론적 상수에 일치하는 인플레이션과 다크 에너지의 초중력 모델을 구축하기.
• 인플레이션 스케일과 독립적인, 니플레턴트 골드스타이노 메이저를 통한 제어 가능한 초대칭 붕괴를 통합하기.
• 향후 B-모드 편광 실험과 LHC에서의 중성미온 질량 데이터로부터 $\alpha$-매개변수에 대한 제약 조건을 가능하게 하기.
• $\alpha$-어트랙터를 일반화하여, 자발적 SUSY 붕괴와 안정된 인플레이션 초기 조건을 갖는 데 시터 진영을 포함하기.
• 다크 에너지에 대한 스트링 랜드스케이프 아이디어를 관측 가능한 우주론적 및 입자물리학 데이터와 연결하는 통합 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 카일러 포텐셜 $K = -3\alpha \ln(T + \bar{T})$ 를 갖는 일반화된 $\alpha$-어트랙터 모델을 사용하며, $\alpha$ 는 카일러 다양체의 곡률를 제어한다.
• 인플레이션 필드의 이동 대칭성을 보장하고 슈퍼포텐셜 재구성의 단순화를 위해 카일러 포텐셜의 카일러-적응형 형태를 적용한다.
• 임의의 원하는 인플레이션 포텐셜 $\mathcal{F}^2(\varphi)$ 에서 슈퍼포텐셜 $W = (S + 1/b)f(\Phi)$ 를 유도하기 위한 재구성 방법을 적용하며, 이때 $f'(\varphi) = \mathcal{F}(\varphi)$ 를 확보한다.
• 두 번째 유형의 모델로 $W = g(\varphi) + Sf(\varphi)$ 를 도입하여 어트랙터 행동을 유지하면서도 초대칭 붕괴 스케일 $M$ 을 독립적으로 제어할 수 있도록 한다.
• 기하학적 항을 통해 니플레턴트 슈퍼필드 $S$ 가 인플레이션 방향과 수직 모듈러스 $\vartheta$ 를 안정화시키며, 특히 $\alpha > 0.2$ 인 경우에 효과적이다.
• 우주론적 상수와 중성미온 질량이 인플레이션 스케일에서 분리되어 있음을 보여주며, 이는 독립적인 물리적 제약 조건을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어 가능한 초대칭 붕괴 스케일과 작은 우주론적 상수를 포함하면서도 플랑크 측정치와 일치하는 $\alpha$-어트랙터 모델을 일반화할 수 있는가?
• RQ2 카일러 포텐셜의 매개변수 $\alpha$ 는 카일러 다양체의 기하학과 $n_s$ 및 $r$ 예측 사이에 어떤 관계를 가진다?
• RQ3 니플레턴트 골드스타이노 메이저가 추가 안정화 항 없이도 인플레이션 기간과 데 시터 최소값에서 모듈러스를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 어트랙터 메커니즘이 초대칭 붕괴와 다크 에너지 기여에 대해 인플레이션 예측의 강건성을 어떻게 보장하는가?
• RQ5 향후 LHC와 B-모드 실험은 이러한 모델에서 중성미온 질량과 $\alpha$-매개변수에 대해 어떤 제약 조건을 가질 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 $n_s \approx 1 - 2/N$ 과 $r \approx 3\alpha \times 10^{-3}$ 에 대해 $\alpha \lesssim O(10)$ 인 경우 플랑크 측정치와 일치하며, $r$ 이 $\alpha$ 와 선형적으로 비례한다.
• $\alpha = 1/3$ 인 경우 모델은 $r \approx 10^{-3}$ 을 예측하며, 이는 CORE 우주 미션의 목표와 일치하고, 유닛 반경의 에셔 디스크 기하학을 반영한다.
• 중성미온 질량 $m_{3/2}$ 는 인플레이션 스케일과 독립적이며, $M \sim (10^{-13} - 10^{-14})M_p$ 수준으로 낮을 수 있으며, LHC에서의 발견 가능성을 고려할 수 있다.
• $M \gg 100-1000$ TeV 인 경우에도 초대칭이 LHC에서 관측되지 않더라도 모델은 유효하며, 고스케일 초대칭 붕괴에 대한 강건성을 보여준다.
• 데 시터 최소값은 일정한 너비와 깊이의 계곡을 가지며, 초대칭 붕괴가 없는 경우와 유사하게 인플레이션의 초기 조건 문제를 해결한다.
• 다크 에너지에 대한 스트링 랜드스케이프 아이디어는 양의 골드스타이노 기여와 음의 중성미온 기여 간의 부분적 상쇄를 통해 지지되며, 이로 인해 매우 작은 양의 $\Lambda$ 가 도출된다.