[논문 리뷰] Did the nHZ Gravitational Waves Signatures Observed By NANOGrav Indicate Multiple Sector SUSY Breaking?

Xiao Kang Du, Ming Huang외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 20

한 줄 요약

본 논문은 다중 섹터 SUSY breaking에 의해 유도된 명시적으로 깨진 이산 R-대칭이 도메인 벽을 유발할 수 있으며, 이 벽의 붕괴가 nHz 중력파를 방출하여 NANOGrav 신호와 일치할 가능성이 있으며 가벼운 골스트니를 함의한다는 것을 제시한다.

ABSTRACT

Discrete R symmetries always play an important role in low energy SUSY. The spontaneously broken of such discrete R symmetries, for example, by gaugino condensation, can lead to domain walls, which need to be either inflated away or collapse to avoid cosmic difficulties. We propose that explicitly R symmetry violation needed for collapse of domain walls can be the consequence of multiple sector SUSY breaking. The consistency constraints for the generation of non-problematic domain walls from gaugino condensation are discussed. We also study the emitted gravitational waves related to the collapse of domain walls. We find that, for SUSY breaking scale of order ${\cal O}(1)$ ${ m GeV}$ in one of the sequestered sector (and also a low reheating temperature of order ${ m MeV}$ if the reheating is not completed when the domain walls collapse), the peak frequency of gravitational waves emitted can lie at nHz. Such a low SUSY breaking scale can be consistency and natural in multiple sector SUSY breaking scenario. The GWs signal by NANOGrav could be a signal of such multiple sector SUSY breaking scenario and it may also indicate the existences of light goldstini at ${ m eV}$ mass scale.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 SUSY에서 이산 R-대칭의 동기 부여 및 자발적 대칭 파괴 이후 도메인 벽 문제
• 다중 섹터 SUSY breaking 체계에서 명시적 R-대칭 위반이 자연스럽게 어떻게 발생할 수 있는지 보인다
• 도메인 벽 형성 및 소멸에 대한 일관성 조건을 도출하여 우주론적 문제를 피한다
• 도메인 벽 붕괴로부터의 중력파 신호를 계산하고 이를 SUSY-breaking 스케일과 관련시키는 것

제안 방법

• 루프 억제 연산들을 통해 비밀리에 격리된 SUSY-breaking 섹터와 SSM 간에 전달되며 명시적 이산 R 위반을 모델링한다.
• 슈퍼포텐셜에서 작은 명시적 파괴 항 w_c를 가진 게이지 글로넨(condensation)으로부터 도메인 벽을 설명한다.
• 도메인 벽 텐션 sigma와 바이어스 epsilon을 추정하고 과폐쇄를 피하기 위한 붕괴 조건을 도출한다.
• 적색편이 효과와 재가열 시나리오를 포함하여 도메인 벽 소멸로부터의 중력파 스펙트럼을 계산한다.
• 피크 GW 주파수와 에너지 밀도를 am_3/2(따라서 F_i) 및 재가열 온도 T_R과 연관시킨다.
• 낮은 재가열 온도가 f_peak^0와 Omega_gw^0에 미치는 영향에 대해 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 섹터 SUSY breaking이 도메인 벽을 소멸시키기에 충분한 명시적 R-대칭 위반을 생성하여 우주론적 문제 없이 소멸시킬 수 있는가?
• RQ2 도메인 벽 붕괴에서 예측되는 중력파 서명이 무엇이며 이것이 NANOGrav 관측과 맞는가?
• RQ3 격리된 섹터의 SUSY-breaking 스케일이 GW 피크 주파수와 에너지 밀도에 어떻게 대응하는가?
• RQ4 재가열 및 가우지노-응집으로 유도된 도메인 벽이 관측 가능한 nHz GW를 생성하는 조건은 무엇인가?
• RQ5 결과가 i번째 섹터의 낮은 F_i로 인해 가벼운 골스트니를 eV 규모로 시사하는가?

주요 결과

• 이산 R-대칭 붕괴로 인한 도메인 벽은 다중 섹터 SUSY breaking에서 생성된 루프-억제 명시적 R-위반 항에 의해 소멸될 수 있다.
• 대략 1 GeV 정도의 격리된 섹터 SUSY breaking 스케일과 MeV 수준의 저온 재가열에서 GW 피크가 nHz 근처에 올 수 있다.
• 현재의 GW 밀도 Omega_gw^0는 약 1.16 x 10^-5 만큼 (A^2)(b/a)^2로 나타날 수 있으며, am_3/2가 스케일을 결정한다.
• 오늘날의 피크 GW 주파수는 am_3/2와 T_R에 따라 달라지며, 특정 파라미터 선택에서 f_peak^0가 약 10^-9 Hz가 될 수 있다.
• 이 시나리오는 i번째 섹터에서의 낮은 F_i로 인해 eV 규모의 가벼운 골스트니를 자연스럽게 시사한다.
• NANOGrav 신호는 다중 섹터 SUSY breaking GW 생성으로부터 기인한다고 해석될 수 있다.