[논문 리뷰] Dynamical Generation of the Weak Scale and Inflation in High-Scale Supersymmetry

Sibo Zheng|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 12.

Black Holes and Theoretical Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 스케일의 초대칭(SUSY) 대칭 깨짐이 동시에 약한 스케일과 불안정한 인플레이션을 설명하며, 인플라톤 질량을 소프트 SUSY 질량과 연결함으로써 이중적인 역할을 한다고 제안한다. 인플라톤을 모듈러스로 간주하는 ISS 유사 모델을 사용하여, 인플레이션 에너지 스케일이 자연스럽게 SUSY 깨짐 스케일(~10^16 GeV)과 일치함을 보이며, 관측된 r ≈ 0.16 및 ns ≈ 0.96가 정밀 조정된 대칭이나 비자연스러운 매개변수 없이 이 틀 안에서 일관되게 설명됨을 보여준다.

ABSTRACT

Combination of Plank and BICEP2 data reported that tensor to scalar ratio $r\simeq 0.16$ and scalar spectral index $n_{s}\simeq 0.96$. In this short note, it is shown that chaotic inflation with quadratic potential, which perfectly accounts for present fit to $r$ and $n_s$, and relatively heavy Higgs mass for fine-tuned MSSM, are both suggested to be consequences of high-scale supersymmetry (SUSY) breaking. Following this idea, we find that inflaton mass is of same order as soft mass, flatness of inflation potential doesn't need a shift symmetry, and scale of inflation energy density automatically agrees with SUSY-breaking scale. A simple realization of such high-scale SUSY breaking, in which inflaton with tri-linear superpotential serves as {\it modulus}, is discussed in terms of ISS-like model.

연구 동기 및 목표

• BICEP2와 Planck의 관측 결과인 탄성파 대 스케일 비율 r ≈ 0.16과 스케일 스펙트럼 지수 ns ≈ 0.96를 고에너지 스케일의 약한 스케일의 동적 기원과 일치시키는 것.
• 이차 인플레이션 잠재력과 초플랑크 스케일의 인플라톤 장 이동이 고에너지 스케일의 SUSY 깨짐에서 자연스럽게 유도될 수 있음을 보여주는 것.
• 인플레이션 에너지 스케일과 SUSY 깨짐 스케일이 하나의 틀 안에서 동적으로 통합될 수 있음을 보여주는 것.
• 인플라톤을 모듈러스 장으로 식별하는 ISS 유사 SUSY 깨짐 섹터를 사용한 구체적 모델 실현을 위한 것.

제안 방법

• 인플라톤 질량이 소프트 SUSY 질량과 같은 주기수를 갖는다고 가정하여, 인플레이션 잠재력을 안정화하기 위한 이동 대칭성이 필요 없음을 보장한다.
• Lyth 한계를 적용하여 r ≈ 0.16를 얻기 위해 초플랑크 스케일의 인플라톤 장 이동(Δφ/M_P ≳ 1)이 필요하다는 것을 유추한다.
• 결합된 Planck 및 BICEP2 데이터에 적합하기 위해 이차 잠재력 V = ½m²ϕ²를 적용하여, ε_V ≈ 0.01 및 η_V ≈ 0.01을 도출한다.
• 인플라톤을 O’Raifeartaigh 유형의 SUSY 깨짐 모델에서 모듈러스 장으로 식별한다. 이 모델은 삼중선형 초위상장 W = κϕϕiϕj를 포함한다.
• 모듈러스 X의 F-항이 소프트 질량을 생성하며, F ≈ m_ϕΛ 및 Λ ≈ 5M_P를 통해 √F ≈ 10^16 GeV를 도출한다.
• 전기-자기 dualities와 R-전하 할당을 활용하여, SUSY 깨짐이 인플라톤 장으로 전달되면서 진공이 불안정하지 않게 유지됨을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 r ≈ 0.16 및 ns ≈ 0.96는 고에너지 스케일의 SUSY에서 기인하는 약한 스케일의 동적 기원과 일치하는가?
• RQ2 이차 인플레이션 잠재력이 이동 대칭성이 필요 없이 고에너지 스케일의 SUSY 깨짐에서 자연스럽게 유도되는가?
• RQ3 인플레이션 에너지 스케일이 일관된 모델 안에서 SUSY 깨짐 스케일과 동적으로 연결될 수 있는가?
• RQ4 ISS 유사 SUSY 깨짐 모델에서 인플라톤을 모듈러스 장으로 실현할 수 있으며, 일관된 소프트 질량과 장 이동이 보장되는가?

주요 결과

• 이차 잠재력 V = ½m²ϕ²는 결합된 Planck 및 BICEP2 데이터에 완벽하게 적합하며, ε_V ≈ 0.01 및 η_V ≈ 0.01을 도출한다.
• 인플라톤 질량 m_ϕ ≈ 10^13 GeV는 소프트 SUSY 질량과 같은 주기수이므로, 잠재력을 안정화하기 위한 이동 대칭성이 필요 없어진다.
• 인플레이션 에너지 스케일 V^{1/4} ≈ 10^16 GeV는 자연스럽게 SUSY 깨짐 스케일 √F ≈ 10^16 GeV와 일치하며, GUT 스케일과도 일치한다.
• ISS 유사 모델에서 인플라톤을 모듈러스로 간주하고 F ≈ m_ϕΛ 및 Λ ≈ 5M_P를 적용하면, 소프트 질량과 인플레이션 스케일이 일관되게 동적으로 생성된다.
• 모델은 초중량의 스칼라 쿼크(예: m_ϕ ~ 10^13 GeV)를 예측하며, LHC의 null 결과와 일치하고, 큰 양자역학적 보정 효과를 통해 126 GeV의 힉스 보존 질량을 설명할 수 있다.
• 이 틀은 LHC 2013년 데이터와도 일관되며, 스칼라 쿼크 신호의 부재와 정밀 조정된 tanβ ≈ 1이 정확한 힉스 질량을 얻기 위해 요구됨을 설명한다.