[논문 리뷰] Inflation in Supergravity with a Single Superfield

Takahiro Terada|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 21.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 추가로 안정화 초필드가 필요 없도록 단일 초필드만을 사용하여 초대칭 이론에서 넓은 영역의 인플레이션을 실현하는 새로운 프레임워크를 제안한다. 켈러 포텐셜에 고차원 항을 도입함으로써 인플레이션 필드의 스칼라 보우터의 안정화를 이루고, 평탄하고 양의 포텐셜을 보장함으로써 정교한 조정 없이 자연스러운 인플레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Supergravity is a well-motivated theory beyond the standard model of particle physics, and a suitable arena to study high-energy physics at the early universe including inflation, whose observational evidences are growing more and more. Inflation in supergravity, however, cannot be easily described because of restrictions from supersymmetry (SUSY). The scalar potential has an exponential factor and a large negative term whereas a flat and positive potential is needed to realize inflation. The standard method to obtain such an inflationary scalar potential requires an additional superfield to the one containing inflaton. In this thesis, we propose and develop an alternative method which does not require the additional superfield and thus reduces the necessary degrees of freedom by half. That is, we study inflation in supergravity with only a single chiral superfield which contains inflaton. We accomplish it by introducing a higher dimensional term in the inflaton Kahler potential, which plays an important dual role: fixing the value of the scalar superpartner of the inflaton resulting in effective single field models, and ensuring the positivity of the inflaton potential at the large field region. Our proposal is not just particular models but rather a new framework to realize various inflationary models in supergravity. In particular, large field inflation in supergravity using one superfield without tuning has become possible for the first time. In our generic models, SUSY breaking at the inflationary scale by inflaton is not completely restored after inflation, so null results for SUSY search at the LHC are predicted for the simplest cases. Remarkably, however, it is possible with tuning to embed arbitrary positive semidefinite scalar potentials into supergravity preserving SUSY at the vacuum. Our discovery opens up an entirely new branch of model building of inflation in supergravity.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 이론에서 보조 안정화 초필드가 필요 없이도 실현 가능한 인플레이션 모델을 구축하는 데 도전하는 것.
• 초대칭 이론에서 일반적으로 기하급수적이고 음의 항을 포함하는 스칼라 포텐셜이 인플레이션 기간 동안 평탄하고 양의 포텐셜이 되는 것과 갈등을 빚는다는 본질적 갈등을 해결하는 것.
• 정교한 조정 없이도 단일 초필드 모델에서 넓은 영역의 인플레이션을 가능하게 하는 일반적인 프레임워크를 개발하는 것.
• 이 단일 초필드 프레임워크에서 인플레이션 기간 동안 초대칭 깨짐의 영향과 그 현상학적 결과, 특히 LHC 제약 조건을 탐색하는 것.
• 모비우스 변환과 이중성 대칭을 통한 켈러 포텐셜 수정의 기하학적이고 대칭 기반의 이해를 구축하는 것.

제안 방법

• 단일 초필드의 켈러 포텐셜에 고차원 항을 도입하여 인플레이션 필드의 수반 스칼라 성분을 동적으로 고정한다.
• 인플레이션 필드 초필드의 허수부의 이동 대칭성을 활용하여 큰 필드 값에서 스칼라 포텐셜을 안정화한다.
• 확대 및 이동 대칭성 하에서 필요한 이중성 구조(Möbius 군)를 유지하는 수정된 켈러 포텐셜을 활용한다.
• 켈러 포텐셜의 고차항을 조정하여 큰 필드 값에서 평탄한 영역을 가진 스칼라 포텐셜을 구성한다.
• 모델이 추가 초필드나 매개변수의 정교한 조정 없이도 자연스럽게 넓은 영역의 인플레이션을 지지함을 입증한다.
• 수정된 켈러 포텐셜에서 유도된 인플레이션 포텐셜을 바탕으로 느린 굴림 매개변수와 관측 예측(ns, r, As)을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초대칭 이론에서 보조 안정화 초필드 없이 단일 초필드만을 사용하여 넓은 영역의 인플레이션을 실현할 수 있는가?
• RQ2 켈러 포텐셜에 고차원 항을 포함함으로써 인플레이션 필드의 스칼라 보우터는 어떻게 안정화되고 평탄한 포텐셜이 보장되는가?
• RQ3 이 단일 초필드 프레임워크에서 인플레이션 기간 동안 초대칭 깨짐에 대한 영향은 무엇인가?
• RQ4 모델의 관측 예측(ns, r, As)은 플랑크 2015 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 제안된 켈러 포텐셜의 구조는 켈러 기하학에서 알려진 확대 또는 이동 대칭성과 관련이 있는가?

주요 결과

• 모델은 추가로 안정화 초필드가 필요 없이 단일 초필드만을 사용하여 초대칭 이론에서 넓은 영역의 인플레이션을 실현한다.
• 켈러 포텐셜의 고차원 항이 인플레이션 필드의 수반 스칼라를 고정함으로써, 모델이 효과적으로 단일 필드 유효 이론으로 축소된다.
• 특정한 켈러 포텐셜의 구조 덕분에 큰 필드 값에서 스칼라 포텐셜이 평탄하고 양의 성질을 가지며, 성공적인 느린 굴림 인플레이션을 가능하게 한다.
• 모델은 인플레이션 기간 동안 초대칭 깨짐이 인플레이션 필드 초다중구조에 의해 주도되며, 안정화 필드가 아닌 것을 강조한다. 이는 이중 초필드 모델과 구별된다.
• 가장 단순한 경우에서, 약한 스케일에서 경량 초대칭 보우터가 존재하지 않기 때문에 LHC에서의 초대칭 탐색 실험에서 null 결과를 예측한다.
• 이 프레임워크는 켈러 포텐셜의 조정을 통해 초대칭이 진공에서 유지되는 동안 임의의 양의 정부호 스칼라 포텐셜을 초대칭 이론에 통합할 수 있다.