[논문 리뷰] Supernatural Inflation

Lisa Randall, Marin Soljačić외 1명|ArXiv.org|1996. 01. 18.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 약한 규모의 초대칭 대칭 깨짐을 갖는 초대칭 이론에서 자연스러운 인플레이션 메커니즘을 제안한다. 여기서 인플레이션은 보존 가능한 MSSM 유사 잠재에너지 내의 평탄한 방향 필드에서 기인한다. 존재하는 질량 척도의 비율을 활용하고 하이브리드 인플레이션 역학을 적용함으로써, 모델은 자연스러운 매개변수 조정을 달성하며, 약 10^3–10^4 GeV 수준의 낮은 허블 스케일, 단위 이상 또는 근접한 단위의 스칼라 스펙트럼 기울기, 무시할 만한 텐서 모드, 그리고 짧은 파장에서의 뚜렷한 특징을 지닌 스펙트럼을 예측한다.

ABSTRACT

Most models of inflation have small parameters, either to guarantee sufficient inflation or the correct magnitude of the density perturbations. In this paper we show that, in supersymmetric theories with weak scale supersymmetry breaking, one can construct viable inflationary models in which the requisite parameters appear naturally in the form of the ratio of mass scales that are already present in the theory. Successful inflationary models can be constructed from the flat-direction fields of a renormalizable supersymmetric potential, and such models can be realized even in the context of a simple GUT extension of the MSSM. We evade naive ``naturalness" arguments by allowing for more than one field to be relevant to inflation, as in ``hybrid inflation" models, and we argue that this is the most natural possibility if inflaton fields are to be associated with flat direction fields of a supersymmetric theory. Such models predict a very low Hubble constant during inflation, of order $10^3$-$10^4$ GeV, a scalar density perturbation index $n$ which is very close to or greater than unity, and negligible tensor perturbations. In addition, these models lead to a large spike in the density perturbation spectrum at short wavelengths.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 이론에서 존재하는 질량 척도의 비율을 활용하여, 요구되는 매개변수들이 자연스럽게 유도되는 시나리오를 구성함으로써 인플레이션 모델의 자연성 문제를 해결하는 것.
• 단순한 MSSM의 GUT 확장 내에서도 보존 가능한 초대칭 잠재에너지 내에서 평탄한 방향 필드만을 사용하여 실현 가능한 인플레이션을 달성할 수 있음을 보여주는 것.
• 다양한 필드를 포함하는 하이브리드 인플레이션 프레임워크를 활용하여 전통적인 자연성 논거를 피함으로써, 초대칭 이론에서 인플레이션 필드로서 가장 자연스러운 선택이 되는 것.
• 낮은 인플레이션 동안의 허블 스케일, 단위에 가까운 또는 그 이상인 스칼라 스펙트럼 기울기, 짧은 파장에서의 스펙트럼에 뚜렷한 특징이 나타나는 관측 가능한 천체물리적 서명을 예측하는 것.

제안 방법

• 약한 규모의 초대칭 대칭 깨짐을 갖는 초대칭 이론 내에서 평탄한 방향 필드를 활용하여 인플레이션 잠재에너지 구축.
• 다수의 스칼라 필드를 포함하는 하이브리드 인플레이션 메커니즘을 구현함으로써, 한 필드가 인플레이션을 주도하고 다른 필드가 그 종료를 유도.
• 기존 이론 내에 존재하는 질량 척도의 비율에 기반한 인플레이션 매개변수 설정으로, 정밀 조정을 피함.
• 단순한 MSSM의 GUT 확장과 호환되는 보존 가능한 초대칭 잠재에너지 구축.
• 평탄한 방향을 沿한 인플레이션 필드의 역학 분석을 통해 충분한 e-폴딩과 적절한 밀도 불균형 진폭 확보.
• 인플레이션 중의 허블 파라미터, 스칼라 스펙트럼 기울기, 텐서 대 스칼라 비율, 스펙트럼 특징 등을 포함한 천체물리적 관측량 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초대칭 이론에서 매개변수의 정밀 조정 없이도 인플레이션 모델을 구성할 수 있는가?
• RQ2 보존 가능한 초대칭 잠재에너지 내에서 평탄한 방향 필드만을 사용하여 실현 가능한 인플레이션을 달성할 수 있는가?
• RQ3 기존 이론 내의 질량 척도 비율을 활용하여 인플레이션의 자연성 문제를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ4 이러한 모델의 천체물리적 예측, 특히 스칼라 스펙트럼 기울기와 텐서 불균형에 대해 무엇이 있는가?
• RQ5 이러한 모델이 짧은 파장에서의 밀도 불균형 스펙트럼에 뚜렷한 특징을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 약 10^3에서 10^4 GeV 수준의 낮은 인플레이션 동안의 허블 스케일을 예측하며, 이는 약한 규모의 초대칭과 일치한다.
• 스칼라 스펙트럼 기울기는 매우 단위에 가까운가 또는 그 이상이며, 이는 스펙트럼에 약간의 레드-틸트 또는 심지어 블루-틸트를 나타낸다.
• 텐서 불균형은 관측 제약 조건(예: CMB)과 일치하는 바에 따라 무시할 만큼 작다.
• 모델은 짧은 파장에서의 밀도 불균형 스펙트럼에 큰 스파이크를 생성하며, 이는 표준 슬로우-롤 모델에 존재하지 않는 뚜렷한 특징이다.
• 인플레이션을 위한 필수 매개변수들이 이론 내에 이미 존재하는 질량 척도의 비율로 자연스럽게 도출되며, 정밀 조정이 필요로 하지 않는다.
• 모델은 단순한 MSSM의 GUT 확장 내에서 실현 가능하며, 대규모 통합과의 일관성을 보여준다.