[논문 리뷰] Singling out SO(10) GUT models using recent PTA results

Stefan Antusch, Kevin Hinze외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 10.

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이중-트리플렛 분리 문제를 미세조정 없이 해결하기 위해 인접 표현과 기본 표현의 힉스 필드만을 사용하여 현실적인 초대칭 SO(10) 대통합 이론(GUT)을 구축한다. 이중 인접 힉스 필드를 가진 특정 모형은 메타안정적인 우주 끈 네트워크를 생성하며, 나노헤르츠 주파수에서 최근 펄서 타이밍 어레이(PTA) 결과와 일치하는 확률적 중력파 배경을 생성한다.

ABSTRACT

In this work, we construct promising model building routes towards SO(10) GUT inflation and examine their ability to explain the recent PTA results hinting at a stochastic gravitational wave (GW) background at nanohertz frequencies. We consider a supersymmetric framework within which the so-called doublet-triplet splitting problem is solved without introducing fine-tuning. Additionally, realistic fermion masses and mixings, gauge coupling unification, and cosmic inflation are incorporated by utilizing superfields with representations no higher than the adjoint representation. Among the three possible scenarios, two of these cases require a single adjoint Higgs field, and do not lead to cosmic strings. In contrast, the third scenario featuring two adjoints, can lead to a network of metastable cosmic strings that generates a GW background contribution compatible with the recent PTA findings and testable by various ongoing and upcoming GW observatories.

연구 동기 및 목표

• 이중-트리플렛 분리 문제를 미세조정 없이 해결하는 현실적인 초대칭 SO(10) GUT 모형을 구축하는 것.
• 최대 인접 표현까지의 힉스 필드만을 사용하여 현실적인 페르미온 질량, 게이지 상수 통합, 그리고 우주 인플레이션을 통합하는 것.
• 우주 끈이 형성되고 확률적 중력파 배경(SGWB)을 생성할 수 있는 모형 구축 시나리오를 식별하는 것.
• 메타안정적인 우주 끈을 통해 검출 가능한 SGWB를 생성할 수 있는 SO(10) GUT 시나리오를 특정하여, 향후 중력파 관측소에서 시험 가능하게 하는 것.

제안 방법

• SM으로 대칭을 깨뜨리기 위해 45H(인접) 및 10H(기본) 표현의 힉스 필드를 사용하여 SO(10) GUT 모형을 구축하는 것.
• 두 가지 시나리오(비례적 B-L 또는 I3R 생성자)에서 단일 인접 힉스 필드와 이중 인접 시나리오를 사용하여 대칭 깨짐 패턴을 탐색하는 것.
• 중간 스케일에서 U(1) 대칭의 자발적 깨짐을 통해 위상 결함—특히 우주 끈—의 형성을 분석하는 것.
• Buchmüller 등(2021)의 체계를 사용하여 메타안정적인 우주 끈에서 기대되는 확률적 중력파 배경(SGWB)을 추정하고, PTA 데이터에 캘리브레이션하는 것.
• 게이지 상수 통합을 평가하며, 대칭 깨짐 스케일이 일치하고 SUSY 깨짐 스케일이 3 TeV이며, 게이지 상수에 1%의 불확실성이 있다고 가정하는 것.
• 이중 인접 모형에서 양성자 붕괴를 억제하기 위해 요카드 부문 조정을 통해 d=6 연산자를 억제하는 것.

Figure 1 : Examples of GW signals (which we estimate following Buchmuller:2021mbb ) from metastable cosmic strings explaining the recent PTA result NANOGrav:2023hvm while being at the edge of the sensitivity reach of LVK LIGOScientific:2021nrg ; KAGRA:2021kbb . The plot also shows examples of sensit

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중-트리플렛 분리 문제를 미세조정 없이 해결할 수 있는 현실적인 SO(10) GUT 모형이 인접 및 기본 힉스 표현만을 사용하여 가능할 수 있는가?
• RQ2 어느 SO(10) GUT 모형 구축 시나리오가 메타안정적인 우주 끈 네트워크를 생성하여 확률적 중력파 배경을 생성할 수 있는가?
• RQ3 이러한 우주 끈 네트워크에서 기인하는 중력파 신호는 최근 PTA 결과에서 나노헤르츠 주파수에서 공통 스펙트럼 노이즈를 보여주는 것과 일치하는가?
• RQ4 제안된 모형은 현실적인 페르미온 질량을 유지하면서도 양성자 붕괴를 억제하고 게이지 상수 통합을 달성할 수 있는가?
• RQ5 향후 어떤 중력파 관측소가 메타안정적인 우주 끈에서 기인하는 예측된 SGWB 신호를 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 인접 힉스 시나리오는 PTA 최근 결과와 일치하는 확률적 중력파 배경을 생성하는 메타안정적인 우주 끈 네트워크를 유도한다.
• 두 개의 인접 힉스 필드를 가진 모형은 U(1) × U(1) 중간 대칭군으로 깨지는 데, 이로 인해 ~10^9–10^17 GeV 범위에서 단절점과 끈 형성 스케일이 거의 일치하는 메타안정적인 우주 끈이 형성된다.
• 우주 끈에서 기인하는 예측된 중력파 신호는 PTA 데이터와 겹치며, LISA, Taiji, TianQin, SKA와 같은 현재 및 향후 관측소의 감도 경계선 근처에 위치한다.
• 단절점/끈 형성 스케일이 10^9–10^17 GeV 범위에서 넓게 변동하더라도, GUT 스케일이 10^16 GeV 이상이고 SUSY 깨짐 스케일이 3 TeV로 고정되어 있다면 게이지 상수 통합이 달성된다.
• 이중 인접 모형은 d=6 양성자 붕괴를 양성자 붕괴 억제를 위해 요카드 부문 조정이 필요로 하여 단일 인접 모형보다 덜 자연스럽지만 여전히 타당하다.
• 단일 인접 모형(비례적 B-L 및 I3R 케이스)은 일반적으로 불안정한 임bedded 끈을 유도하므로 검출 가능한 SGWB를 생성하지 못하며, 따라서 PTA 신호의 설명으로서 배제된다.