[논문 리뷰] Extending Starobinsky inflationary model in gravity and supergravity

S.V. Ketov, Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스타로빈스키 인플레이션을 질량이 있는 벡터 다중체에 통합함으로써 $χ=1$ 초중력 이론 모형을 제안하며, 히에타 문제를 피하고 폴로니의 초장을 통해 자발적 슈퍼대칭 붕괴를 가능하게 한다. 이 모형은 타당한 CMB 스펙트럼을 달성하고, 슈윙거 기구를 통해 중성미온 입자 생성과 폴로니 붕괴를 통해 중성미온 어둠성 물질을 생성하며, 특정한 스칼라 포텐셜 변형 조건 하에서 초기 블랙홀 형성을 가능하게 하여, 인플레이션, 어둠성 물질, 어둠성 에너지, 슈퍼대칭 붕괴를 하나의 프레임워크 안에서 통합한다.

ABSTRACT

We review some recent trends in the inflationary model building, the supersymmetry (SUSY) breaking, the gravitino Dark Matter (DM) and the Primordial Black Holes (PBHs) production in supergravity. The Starobinsky inflation can be embedded into supergravity when the inflaton belongs to the massive vector multiplet associated with a (spontaneously broken) $U(1)$ gauge symmetry. The SUSY and R-symmetry can be also spontaneously broken after inflation by the (standard) Polonyi mechanism. Polonyi particles and gravitinos are super heavy and can be copiously produced during inflation via the Schwinger mechanism sourced by the Universe expansion. The overproduction and instability problems can be avoided, and the positive cosmological constant (dark energy) can also be introduced. The observed abundance of the Cold Dark Matter (CDM) composed of gravitinos can be achieved in our supergravity model too, thus providing the unifying framework for inflation, supersymmetry breaking, dark energy and dark matter genesis. Our supergravity approach may also lead to a formation of primordial non-linear structures like stellar-mass-type black holes, and may include the SUSY GUTs inspired by heterotic string compactifications, unifying particle physics with quantum gravity.

연구 동기 및 목표

• 스칼라 다중체 인플라톤과 관련된 $η$-문제를 피하기 위해, 스타로빈스키 $R^2$ 인플레이션 모형을 질량이 있는 벡터 다중체를 사용하여 $χ=1$ 초중력 이론에 통합하는 것.
• 폴로니 메커니즘을 통해 인플레이션 후 자발적 초대칭 붕괴를 달성하고, 디-시터 진공과 양의 우주상수를 생성하는 것.
• 초중량의 중성미온 입자와 폴로니 입자를 확보하여 중성미온 과잉 생성 문제와 빅뱅 핵합성(BBN) 문제를 해결하는 것.
• 인플레이션 기간 동안의 슈윙거 기구를 통해 초중량의 중성미온 입자를 생성하고, 이후 폴로니 붕괴를 통해 중성미온 어둠성 물질 밀도를 확보함으로써 관측된 냉각 어둠성 물질 밀도를 달성하는 것.
• 특정한 스칼라 포텐셜 비선형성 조건 하에서 인플레이션 역학의 불안정성으로 인해 초기 블랙홀(PBH) 형성을 탐색하는 것, 특히 항성 질량 크기의 PBH 형성 가능성을 중심으로 한다.

제안 방법

• 인플라톤이 $D$-항성 포텐셜의 일부로 포함된 질량이 있는 벡터 다중체를 사용하여 스타로빈스키 모형을 $χ=1$ 초중력 이론에 통합함으로써, $F$-항성 안정화 문제를 피하는 것.
• 자기적 초대칭 붕괴를 유도하고 인플레이션 후 양의 우주상수를 생성하기 위해 선형 초장포텐셜을 가진 폴로니 스칼라 초장포텐셜을 도입하는 것.
• 인플레이션 기간 동안의 슈윙거 기구를 통해 초중량의 중성미온 입자와 폴로니 입자를 생성하고, 폴로니 입자의 붕괴가 중성미온 입자 밀도에 기여하는 것.
• 큰 곡률 불안정성과 PBH 형성을 가능하게 하기 위해, 근처의 불연속점이 존재하는 형태의 변형된 스칼라 포텐셜 $V/V_0 = (1 + \xi - e^{-\alpha\phi} - \xi e^{-\beta\phi^2})^2$ 를 구성하는 것.
• 파arameter $\alpha$, $\beta$, $\xi$ 를 조정하여 $n_s \approx 0.965$ 와 $r \ll 0.1$ 을 재현함으로써 모형이 CMB 관측 결과와 일치하도록 보장하는 것.
• 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 단계 전이 동역학과 기포 핵형성을 분석하여, 일阶 전이를 통해 PBH 형성을 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 다중체 대신 질량이 있는 벡터 다중체를 사용하여 스타로빈스키 인플레이션 모형을 $χ=1$ 초중력 이론에 일관적으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 초중력 이론 프레임워크 내에서 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 위반하지 않으면서도, 인플레이션 후 자발적 초대칭 붕괴와 양의 우주상수를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 이 모형에서 관측된 냉각 어둠성 물질 밀도의 기원은 무엇이며, 슈윙거 기구와 폴로니 붕괴로 설명될 수 있는가?
• RQ4 이 초중력 이론 모형에서 항성 질량 크기의 초기 블랙홀(PBH)이 형성될 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ5 스칼라 포텐셜 변형이 CMB 관측 결과와 PBH 형성에 필요한 큰 곡률 불안정성을 동시에 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 모형은 질량이 있는 벡터 다중체를 사용하여 스타로빈스키 $R^2$ 인플레이션을 $χ=1$ 초중력 이론에 성공적으로 통합하였으며, $η$-문제를 피하고 $D$-항성 포텐셜에 의한 인플라톤 안정화를 달성하였다.
• 선형 초장포텐셜을 가진 폴로니 초장의 포함은 자발적 초대칭 붕괴와 디-시터 진공을 유도하며, 양의 우주상수와 일관된 결과를 낳는다.
• 초중량의 중성미온 입자와 폴로니 입자를 생성하는 슈윙거 기구와 이후 폴로니 입자의 붕괴를 통해 중성미온 어둠성 물질 밀도가 달성되었으며, $m_{3/2} \sim 10^6$ GeV 일 때 올바른 잔류 밀도를 확보하였다.
• 근처의 불연속점이 존재하는 변형된 스칼라 포텐셜 $V/V_0 = (1 + \xi - e^{-\alpha\phi} - \xi e^{-\beta\phi^2})^2$ 는 $\alpha = \sqrt{2/3}$, $\beta \geq 0$, $\xi \geq 0$ 조건 하에서 큰 곡률 불안정성과 PBH 형성을 가능하게 한다.
• 모형은 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 일계 전이를 통해 항성 질량 크기의 초기 블랙홀 형성을 가능하게 하며, LIGO/Virgo에서 검출 가능한 중력파 신호를 예측한다.
• 이 프레임워크는 CMB 관측 결과, BBN 제약 조건과 일치하며, 인플레이션, 어둠성 에너지, 어둠성 물질, 초대칭 붕괴를 통합적으로 설명하며, 고에너지 중성미온 및 중력파 실험에서 검증 가능한 예측을 제공한다.