[논문 리뷰] Reheating and Leptogenesis after Pati-Salam F-term Subcritical Hybrid Inflation

B. Charles Bryant, Zijie Poh외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 13.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 F-term 초임계 하이브리드 인플레이션을 갖는 Pati-Salam GUT 모델을 제시하며, 재열은 보손과 페르미온의 넓은 공진 조건을 통한 즉각적인 프리헤이팅을 통해 발생하고, 바리온 생성은 세 개의 오른쪽 손가락형 (s)중성자수의 CP 비대칭 붕괴로부터 기인한다. 이 모델은 정밀 조정 없이도 저에너지 데이터, LHC 결과, 인플레이션 관측량 및 올바른 바리온-엔트로피 비율을 성공적으로 맞추며, 중성자수 요하드 매트릭스의 단계 의존성 붕괴 비대칭성 덕분이다.

ABSTRACT

In this paper, we extend the analysis of a Pati-Salam subcritical hybrid $F$-term inflation model, proposed by two of us, by studying the reheating and the baryogenesis (via leptogenesis) of the model. This SUSY GUT model is able to fit low energy electroweak precision data, LHC data, $b$-physics data, in addition to inflation observables such as the tensor-to-scalar ratio and the scalar spectral index. The reheating mechanism of this model is instant preheating due to the bosonic and fermionic broad parametric resonance, while the baryon-to-entropy ratio is obtained from the CP asymmetric right-handed (s)neutrinos decay. The phases in the neutrino Yukawa matrices are fixed by fitting to the low energy observables. With these phases, the heaviest right-handed (s)neutrinos decay to produce a lepton asymmetry with the correct sign, while the two lighter right-handed (s)neutrinos decay to produce the wrong sign. Consequently, the baryogenesis analysis is necessarily performed by including all three families of the right-handed (s)neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 이전에 제안된 Pati-Salam F-term 초임계 하이브리드 인플레이션 모델을 확장하여 재열 및 바리온 생성 메커니즘을 분석한다.
• 즉각적인 프리헤이팅이 인플레이션 이후 열역학적 배치를 어떻게 생성하는지 분석한다.
• 세 개의 오른쪽 손가락형 (s)중성자수 붕괴로부터 발생하는 렙토니아 비대칭을 계산하며, 모든 가족이 서로 다른 붕괴 기호를 가질 수 있음을 고려한다.
• 저에너지 관측량, LHC 데이터, 인플레이션 파rameter(예: 스케일 스펙트럼 기울기 n_s 및 탄성파 비율 r)를 고려하여 모델의 타당성을 확보한다.
• 저에너지 및 인플레이션 데이터에 의해 제약을 받는 유일한 조건으로서, 정밀 조정 없이도 바리온-엔트로피 비율이 자연스럽게 달성됨을 보여준다.

제안 방법

• 모델은 Pati-Salam 게이지 군에 의해 강화된 $\mathbb{Z}_4^R$ 대칭을 갖는 $Χ=(1,1,1,2)$ 인플레이션 수퍼필드와 $S^c=(\bar{4},1,\bar{2},0)$, $\bar{S}^c=(4,1,2,0)$ 워터폴 수퍼필드를 사용한다.
• 재열은 인플레이션 수퍼필드의 진동에 의해 비다이내닉적 입자 생성을 통해 발생하며, 힉스 및 힉스노 필드의 넓은 공진 조건을 통한 즉각적인 프리헤이팅에 의해 이뤄진다.
• 히iggs 및 힉스노 필드는 시간에 따라 변하는 결합 $\propto \phi(t) \sin(m_\phi t)$ 로 생성되며, 양자 모드의 공진적 증폭을 이끈다.
• 생성된 힉스 필드는 오른쪽 손가락형 (s)중성자수로 붕괴되며, 붕괴율은 인플레이션 수퍼필드의 진폭과 중성자수 질량에 의존한다.
• 오른쪽 손가락형 (s)중성자수의 붕괴율은 진동하는 인플레이션 수퍼필드의 동역학에서 유도된 시간 평균 표현식을 사용하여 계산되며, 임계값은 $M_{R_i}$ 및 $\alpha\phi_{\text{max}}$ 에 의해 결정된다.
• 전체 시스템은 인플레이션 종료 시점부터 가장 무거운 오른쪽 손가락형 (s)중성자수가 붕괴할 때까지 시뮬레이션되며, 저에너지 데이터와 인플레이션 관측량에 의해 파라미터가 고정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 넓은 공진 조건을 통한 즉각적인 프리헤이팅은 Pati-Salam F-term 하이브리드 인플레이션 모델에서 재열 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 가장 무거운 중성자수와 두 개의 더 가벼운 중성자수가 반대 방향의 CP 비대칭을 생성함에도 불구하고, 세 가족의 오른쪽 손가락형 (s)중성자수가 렙토니아 비대칭을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 이 모델은 저에너지 정밀도 데이터, LHC 제약 조건, 인플레이션 관측량(n_s ≈ 0.965, r ≈ 0.01)을 동시에 만족시키며, 올바른 바리온-엔트로피 비율을 생성할 수 있는가?
• RQ4 중성자수 요하드 매트릭스의 단계는 최종 렙토니아 비대칭의 부호와 크기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 바리온-엔트로피 비율이 직접적인 제약 조건이 아니라는 점을 감안할 때, 모델은 인플레이션-히iggs 결합 $\alpha$와 재열 온도에 대해 어떤 제약 조건을 가진다?

주요 결과

• 재열은 보손 및 페르미온 모드의 넓은 공진 조건을 통한 즉각적인 프리헤이팅을 통해 발생하며, 인플레이션 수퍼필드의 진동 기간 동안 입자 생성이 이산적인 파동 형태로 발생한다.
• 인플레이션 수퍼필드는 시간에 따라 변하는 비율로 힉스 및 힉스노로 비다이내닉적으로 붕괴되며, 이 비율은 $\phi_{\text{max}} \sin(m_\phi t)$ 비례로 증가하며, $m_\phi t \sim \pi/2$ 시점에 최대에 도달한다.
• 프리헤이팅 기간 동안 생성된 힉스 필드는 $\alpha\phi > M_{R_i}$ 조건을 만족할 때만 오른쪽 손가락형 (s)중성자수로 붕괴되며, 붕괴율은 $\phi_{\text{max}} \sqrt{1 - M_{R_i}^2/\alpha^2\phi_{\text{max}}^2}$ 비례한다.
• 가장 무거운 오른쪽 손가락형 (s)중성자수는 정확한 부호의 렙토니아 비대칭을 생성하지만, 두 개의 더 가벼운 중성자수는 반대 부호의 비대칭을 생성하므로, 전체 세 가족 분석이 필수적이다.
• 최종 바리온-엔트로피 비율은 세 (s)중성자수 붕괴에서 유래한 순 렙토니아 비대칭에 의해 결정되며, 이 비대칭은 인플레이션-히iggs 결합 $\alpha$ 를 자유 매개변수로 조정할 수 있다.
• 모델은 모든 저에너지 데이터, LHC 결과, 인플레이션 관측량(n_s ≈ 0.965, r ≈ 0.01)과 일치하며, 무거운 중성미오닌($m_{3/2} \gtrsim 40$ TeV)과 GUT 스케일의 모듈리로 인해 천체물리학적 문제를 피한다.