[논문 리뷰] Inflation, superheavy metastable strings and gravitational waves in non-supersymmetric flipped SU(5)

G. Lazarides, Rinku Maji외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 14.

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy참고 문헌 78인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초고온에서 초중량의 불안정한 우주 끈이 존재하는 비초대칭 뒤집힌 SU(5) 하이브리드 인플레이션 모형을 제안한다. 이 끈들은 인플레이션 이후에도 생존하며, NANOGrav 15년 데이터와 고급 LIGO-Virgo 제3차 런 제약 조건에 부합하는 확률적 중력파 배경을 생성한다. 모형은 끈 위에서 양자 터널링을 통한 단극-반단극 쌍 생성을 통해 $G\mu \sim 10^{-6}$를 달성하며, 인플레이션은 고주파수 성분을 억제하고, 수명이 $10^{36}-10^{37}$ 년인 양성자 예측을 한다.

ABSTRACT

Motivated by the NANOGrav 15 year data and other recent investigations of stochastic gravitational background radiation based on pulsar timing arrays, we show how superheavy strings survive inflation but the slightly heavier monopoles do not in a non-supersymmetric hybrid inflation model based on flipped $SU(5)$. With the dimensionless string tension parameter $G μ\sim 10^{-6}$, the gravitational wave spectrum emitted by the strings, which are metastable due to breaking caused by monopole-antimonopole quantum mechanical tunneling, is compatible with the latest NANOGrav measurement as well as the advanced LIGO-VIRGO third run data. The string network undergoes about 30 $e$-foldings of inflation which suppresses the spectrum in the LIGO-VIRGO frequency range. With the symmetry breaking chain $SU(5) imes U(1)_X o SU(3)_c imes SU(2)_L imes U(1)_Z imes U(1)_X o SU(3)_c imes SU(2)_L imes U(1)_ Y$, the estimated proton lifetime is of order $10^{36}-10^{37}$ yrs.

연구 동기 및 목표

• 펄서 타이밍 어레이(NANOGrav)에서 관측된 확률적 중력파 배경과 고급 LIGO-Virgo 데이터를 타당한 입자물리학 모형을 통해 일치시키기 위해.
• 인플레이션 동안 무거운 단극의 억제가 이루어지더라도 초중량의 불안정한 우주 끈이 인플레이션 후에도 생존할 수 있는지를 설명하기 위해.
• 인플레이션, 불안정한 끈, 실험 제약 조건에 부합하는 양성자 수명을 동시에 수용하는 비초대칭 뒤집힌 SU(5) 모형을 구축하기 위해.
• 스케일 불변 스펙트럼 지수와 텐서 대 스칼라 비율이 현재의 CMB 관측과 일치하는지 확인하기 위해.
• 불안정한 끈에서 유래하는 중력파 스펙트럼을 계산하고, 저주파수 및 고주파수 관측 제약 조건과의 호환성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고에너지에서 $SU(5) \times U(1)_X$로 유지되는 비초대칭 뒤집힌 SU(5) 게이지 군을 사용한다.
• 두 단계의 대칭 깨짐 체인을 적용한다: $SU(5) \times U(1)_X \to SU(3)_c \times SU(2)_L \times U(1)_Z \times U(1)_X \to SU(3)_c \times SU(2)_L \times U(1)_Y$로, 힉스 장 $\Phi$와 $\Psi$를 통해 단극과 끈을 생성한다.
• 인플레이션 장으로서 실수 단일 스칼라 $S$를 도입하며, 콜레먼-바이너그 보정이 적용된 1-loop 보정된 잠재력으로 하이브리드 인플레이션을 구현한다.
• 단극-반단극 쌍의 양자 터널링을 통해 끈을 안정화시켜, 단극의 인플레이션 억제에도 불구하고 끈이 불안정하게 유지되도록 한다.
• 시간 $t_F$ 의존성에 따라 저주파수 $f^2$, 등스케일 불변 플라토우, 고주파수 $f^{-1/3}$ 행동를 갖는 중력파 스펙트럼을 끈 네트워크에서 계산한다.
• $e$-패딩 수 $\sim 30$을 사용하여 고주파수 스펙트럼을 억제함으로써 $G\mu \sim 10^{-6}$와 LIGO-Virgo 제3차 런 데이터 간의 일치를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비초대칭 뒤집힌 SU(5) 모형이 인플레이션 이후 생존하는 초중량의 불안정한 우주 끈을 생성하고, NANOGrav 15년 데이터에 부합하는 중력파 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ2 인플레이션은 LIGO-Virgo 주파수 대역에서 중력파 스펙트럼을 어떻게 억제하면서도 저주파수에서 검출 가능한 신호를 유지하는가?
• RQ3 이 모형에서 예측되는 양성자 수명은 얼마이며, Super-Kamiokande와 Hyper-Kamiokande의 현재 실험 제약 조건을 충족하는가?
• RQ4 콜레먼-바이너그 1-loop 보정은 인플레이션 잠재력과 $n_s$, $r$ 등의 관측 가능 물리량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 양자 터널링은 단극의 인플레이션 억제에도 불구하고 불안정한 끈을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모형은 $G\mu \sim 10^{-6}$를 갖는 중력파 스펙트럼을 예측하며, NANOGrav 15년 데이터와 고급 LIGO-Virgo 제3차 런 제약 조건과 부합한다.
• 끈 네트워크는 약 30개의 $e$-패딩을 경험하며, 이는 고주파수 중력파 강도를 억제하여 LIGO-Virgo 관측 결과와의 호환성을 가능하게 한다.
• 스칼라 스펙트럼 지수는 $n_s \simeq 0.963$로 예측되며, 플랑크 및 기타 CMB 측정과 양호한 일치를 이룬다.
• 텐서 대 스칼라 비율은 $r \sim 10^{-4} - 10^{-3}$ 범위로 추정되며, 현재의 관측 제약 조건과 일치한다.
• 양성자 수명은 $\tau_p \approx 2.1 \times 10^{36}$ 년 (BP1) 및 $1.3 \times 10^{37}$ 년 (BP2)로 추정되며, 둘 다 Super-Kamiokande의 하한 제약을 초과한다.
• 1-loop 콜레먼-바이너그 보정은 인플레이션 관측 가능 물리량과의 일치를 약간 향상시키지만, 그 크기는 여전히 작다.