[논문 리뷰] Inflation and Monopoles in Supersymmetric SU(4)_c x SU(2)_L x SU(2)_R

Rachel Jeannerot, Shaaban Khalil외 2명|CERN Bulletin|2000. 02. 14.

Spectral Theory in Mathematical Physics참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비가역적 초대칭 스칼라 퍼텐셜 항을 통해 하이브리드 인플레이션을 실현하고, 인플레이션 골짜리를 안정화하며 치명적인 몰리플로프 생성을 방지하는 초대칭 SU(4)₇ × SU(2)ₗ × SU(2)ᵣ 모델을 제안한다. 이 모델은 자연스러운 결합 상수(~10⁻³)로 COBE CMB 이방이성 데이터를 성공적으로 재현하며, GUT 스케일을 약 10¹⁶ GeV 근처로 유지하고, Peccei-Quinn 대칭을 통해 μ-문제를 해결하며, 바리온 비대칭을 위한 레프토제네시스와 양성자 안정성을 동시에 확보한다.

ABSTRACT

We show how hybrid inflation can be successfully realized in a supersymmetric model with gauge group G_{PS}= SU(4)_c x SU(2)_L x SU(2)_R. By including a non-renormalizable superpotential term, we generate an inflationary valley along which G_{PS} is broken to the standard model gauge group. Thus, catastrophic production of the doubly charged magnetic monopoles, which are predicted by the model, cannot occur at the end of inflation. The results of the cosmic background explorer can be reproduced with natural values (of order 10^{-3}) of the relevant coupling constant, and symmetry breaking scale of G_{PS} close to 10^{16} GeV. The spectral index of density perturbations lies between unity and 0.9. Moreover, the mu-term is generated via a Peccei-Quinn symmetry and proton is practically stable. Baryogenesis in the universe takes place via leptogenesis. The low deuterium abundance constraint on the baryon asymmetry, the gravitino limit on the reheat temperature and the requirement of almost maximal mu neutrino - tau neutrino mixing from SuperKamiokande can be simultaneously met with mu-neutrino, tau-neutrino and heaviest Dirac neutrino masses determined from the large angle MSW resolution of the solar neutrino problem, the SuperKamiokande results and SU(4)_c symmetry respectively.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 왼쪽-오른쪽 통합 모델에서 SU(4)₇ × SU(2)ₗ × SU(2)ᵣ 게이지 대칭을 가진 경우 우주론적 몰리플로프 문제를 해결하기 위해.
• 이 모델에서 상전이를 유도하는 위상 전이를 유발하지 않고도 성공적인 하이브리드 인플레이션을 실현하기 위해.
• COBE CMB 관측과 일치하는 자연스러운 결합 상수 값(~10⁻³)과 GUT 스케일(약 10¹⁶ GeV)을 확보하기 위해.
• Peccei-Quinn 대칭을 통해 μ-항을 다이내믹하게 생성하고 강한 CP 문제를 해결하며, 명시적 B 및 L 위반에도 불구하고 양성자 안정성을 확보하기 위해.
• 중수소 농도, 초구형입자 과잉 생성, SuperKamiokande에서의 중성자 비틀림 데이터(νμ−ντ 혼합) 등 다양한 제약 조건을 동시에 충족시키기 위해.

제안 방법

• SU(4)₇ × SU(2)ₗ × SU(2)ᵣ 게이지 대칭이 표준모형의 게이지 대칭으로 붕괴되는 경로를 따라 고전적으로 평탄한 방향을 안정화시키는 비가역적 초대칭 스칼라 퍼텐셜 항을 도입한다.
• 이전 모델에서의 고전적 기울기와는 달리, 1-순서 반사 보정을 통해 필요한 인플레이션 퍼텐셜 기울기를 제공한다.
• Gₚₛ 가 인플레이션 기간 동안 자동 대칭 붕괴되므로, 최종 전이 단계에서 Kibble 메커니즘에 의한 몰리플로프 생성이 방지된다.
• Peccei-Quinn 대칭을 활용해 μ-항을 다이내믹하게 생성하고 강한 CP 문제를 해결한다.
• 가벼운 중성자 비틀림 질량을 위해 세이프 메커니즘을 활용하고, 바리온 비대칭 생성을 위한 레프토제네시스를 실현한다.
• D-항, F-항 및 초대칭 스칼라 퍼텐셜 결합을 통해 스칼라 및 페르미온 질량 스펙트럼을 완전히 구성하며, 특정 부문에서만 초대칭 붕괴가 발생하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가역적 초대칭 스칼라 퍼텐셜 항을 통해 SU(4)₇ × SU(2)ₗ × SU(2)ᵣ 초대칭 모델에서 하이브리드 인플레이션을 치명적인 몰리플로프 생성 없이 일관되게 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 모델이 자연스러운 결합 상수(~10⁻³)와 약 10¹⁶ GeV 근처의 GUT 스케일을 가진 채로 COBE CMB 이차항 이방성 데이터를 재현할 수 있는가?
• RQ3 이 모델에서 양성자 안정성과 레프토제네시스를 유지하면서도 μ-문제를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ4 이 모델은 저중수소 농도, 초구형입자 과잉 생성, SuperKamiokande에서의 νμ−ντ 혼합 데이터를 동시에 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 비가역적 항이 인플레이션 궤적을 안정화시키고, 인플레이션 이전 또는 동안 게이지 대칭 붕괴를 보장하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모델은 결합 상수가 약 10⁻³ 수준이며 GUT 스케일이 약 10¹⁶ GeV 근처일 때 COBE CMB 이방성 데이터를 성공적으로 재현한다.
• 밀도 편차의 스펙트럼 지수는 1과 0.9 사이에 위치하여 관측 결과와 일치한다.
• SU(4)₇ × SU(2)ₗ × SU(2)ᵣ 가 이미 인플레이션 기간 동안 붕괴되어 있으므로, Kibble 메커니즘에 의한 몰리플로프 생성이 방지된다.
• μ-항은 Peccei-Quinn 대칭을 통해 생성되어 μ-문제와 강한 CP 문제를 동시에 해결한다.
• 양성자 붕괴는 매우 억제되어 있으며, 게이지 대칭과 질량 계층에 의해 현재의 실험적 한계를 초월하는 양성자 수명을 확보한다.
• 중성자 비틀림 질량은 세이프 메커니즘을 통해 기인하며, 이 모델은 태양 중성자 비틀림 문제의 넓은 각도 MSW 해법과 SuperKamiokande의 νμ−ντ 혼합 데이터를 모두 수용할 수 있다.