[논문 리뷰] Implementing Hilltop F-term Hybrid Inflation in Supergravity

Roberta Armillis, C. Pallis|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 16.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초대칭에서 힐탑 F-항성 하이브리드 인플레이션(FHI)을 실현하기 위해, 은신세계 장을 수반하거나 비수반하는 준표준 캐논리컬 캐럴러스 포텐셜을 사용하여 η 문제를 해결하고, WMAP7 데이터와 일치하는 스칼라 스펙트럼 인덱스 $n_s$ 를 달성한다. 자연스러운 캐럴러스 포텐셜 계수—특히 4차 초대칭 보정 항—이 FHI의 $n_s$ 를 억제하면서 정교한 조정이 필요로 하지 않음을 보여주며, nnmSUGRA 또는 hSUGRA에서 부드러운 FHI가 가장 유망한 모델로 나타난다.

ABSTRACT

F-term hybrid inflation (FHI) of the hilltop type can generate a scalar spectral index, ns, in agreement with the fitting of the seven-year Wilkinson microwave anisotropy probe data by the standard power-law cosmological model with cold dark matter and a cosmological constant, LambdaCDM. We investigate the realization of this type of FHI by using quasi-canonical Kahler potentials with or without the inclusion of extra hidden-sector fields. In the first case, acceptable results can be obtained by constraining the coefficients of the quadratic and/or quartic supergravity correction to the inflationary potential and therefore a mild tuning of the relevant term of the Kahler potential is unavoidable. Possible reduction of ns without generating maxima and minima of the potential on the inflationary path is also possible in a limited region of the available parameter space. The tuning of the terms of the Kahler potential can be avoided with the adoption of a simple class of string-inspired Kahler potentials for the hidden-sector fields which ensures a resolution to the eta problem of FHI and allows acceptable values for the spectral index, constraining the coefficient of the quartic supergravity correction to the inflationary potential. Performing a four-point test of the analyzed models, we single out the most promising of these.

연구 동기 및 목표

• 캐럴러스 포텐셜을 수정하여 초대칭 내 F-항성 하이브리드 인플레이션(FHI)의 η 문제를 해결하기 위해.
• WMAP7 데이터에 부합하는 스칼라 스펙트럼 인덱스 $n_s$ 를 달성하기 위해, 이는 $n_s \approx 0.96$ 를 요구한다.
• 초기자기세계 장을 도입하여 스트링 유도 캐럴러스 포텐셜을 사용함으로써 캐럴러스 포텐셜 계수의 정교한 조정을 최소화하기 위해.
• mSUGRA, nmSUGRA, nnmSUGRA, hSUGRA 등의 다양한 FHI 모델을 네 점 테스트 기반으로 평가하고 비교하기 위해.
• 관측 제약 조건을 충족하면서 자연스러움을 유지하고 인플레이션 포텐셜의 잠재적 함정을 피하는 가장 유망한 FHI 실현 방식을 규명하기 위해.

제안 방법

• 인플레이션 장의 통제된 질량 항을 생성하기 위해, 다음에 오는 최소한의 (nmSUGRA) 및 다음에 오는 다음 최소한의 (nnmSUGRA) 캐럴러스 포텐셜 수정을 포함한 준표준 캐논리컬 캐럴러스 포텐셜을 사용한다.
• 은신세계 장 $h_m$ 을 도입하여 스트링 기반 캐럴러스 포텐셜(hSUGRA)을 사용함으로써, 2차 초대칭 보정 항을 자연스럽게 상쇄하고 인플레이션 장 질량 항을 안정화시킨다.
• 네 점 테스트를 통해 모델을 평가하며, 기준은 다음과 같다: (i) WMAP7와의 $n_s$ 일치, (ii) WMAP7 상한선 이하의 $r$, (iii) 경계가 있고 수렴하는 인플레이션 포텐셜, (iv) $k_{4S}$ 및 $k_{6S}$ 계수의 자연스러움.
• 포텐셜의 곡률을 통해 스칼라 스펙트럼 인덱스 $n_s$ 와 그 변화율 $\alpha_s$ 를 분석하며, 초대칭 보정 항이 느린 굴곡 파rameters에 미치는 영향을 집중적으로 고려한다.
• 기본 스케일에서의 교차 조건과 인플레이션 경로의 단조성 조건을 적용하여, 힐탑 인플레이션의 타당한 초기 조건을 확보한다.
• 계층적 평가 체계를 사용하여 모델을 비교한다: 식 (28)이 식 (31)보다 우선시되며, $\times$, $\surd$, 또는 $\sim$ 는 각각 기준 충족, 실패, 부분 성공을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정교한 조정 없이 자연스러운 캐럴러스 포텐셜 계수를 사용하여 초대칭 내 힐탑 F-항성 하이브리드 인플레이션을 실현할 수 있는가?
• RQ2 다음 최소한의 및 다음 다음 최소한의 캐럴러스 수정 항은 FHI의 스칼라 스펙트럼 인덱스 $n_s$ 와 포텐셜 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스트링 기반 캐럴러스 포텐셜을 가진 은신세계 장을 포함함으로써 2차 초대칭 보정 항의 조정 필요성을 제거할 수 있는가?
• RQ4 관측 일치성과 자연스러움을 통합한 네 점 테스트에서, 표준, 이동, 또는 부드러운 FHI 모델 중 어느 것이 가장 우수한 성능을 보이는가?
• RQ5 포텐셜의 국소 최대 및 최소값이 힐탑 인플레이션을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 이는 초기 조건 요구 조건에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 부드러운 FHI는 nnmSUGRA 및 hSUGRA 모델에서 네 점 테스트에서 최고의 전반적 성능을 보이며, 실패 기준($\times$)이 없어 가장 유망한 후보로 나타난다.
• hSUGRA 모델은 은신세계 장의 캐럴러스 포텐셜에서 자연스러운 계수를 사용함으로써 2차 초대칭 보정 항의 정교한 조정을 완전히 피함으로써, 인플레이션 장 질량 항이 정확히 0이 되도록 보장한다.
• hSUGRA 및 nnmSUGRA에서 4차 초대칭 보정 항 계수를 자연스러운 값(순위 1 정도)으로 제약함으로써, $n_s \approx 0.96$ 를 달성하였으며, 2차 항의 조정이 필요로 하지 않는다.
• 표준 FHI 모델은 nnmSUGRA에서 가장 우수한 성능을 보였고, 이동 FHI는 nmSUGRA에서 가장 뛰어난 성능을 보였으며, 둘 다 테스트에서 한 개의 $\times$ 를 기록하여 부분적이나마 수용 가능한 성능을 보였다.
• hSUGRA에서 $0.1 \leq |k_{4S}| \leq 10$ 인 경우가 가장 뛰어난 성능을 보였으며, $n_s$ 일치성과 경계가 있는 포텐셜을 포함한 모든 핵심 제약 조건을 충족하였다. 음의 4차 보정 항을 통해 $n_s$ 가 감소하였다.
• 이 연구는 포텐셜에 최대값이나 최소값을 도입하지 않으면서도 $n_s$ 를 기본 FHI 예측 이하로 낮출 수 있음을 확인하였으며, 이는 매개변수 공간의 제한된 영역에서만 가능하다.