[논문 리뷰] Supersymmetric $U(1)_{B-L}$ flat direction and NANOGrav 15 year data

Rinku Maji, Wan-Il Park|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 22.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 8

한 줄 요약

논문은 Monopoles와 메타-안정적 코스믹 스트링, 열역학적 인플레이션과 SUSY U(1)_{B-L} 평면 방향 시나리오를 연결하여 NANOGrav 15년 SGWB 신호를 설명할 수 있으면서 LISA/DECIGO로 테스트 가능한 낮은 고주파 커트오프를 예측한다.

ABSTRACT

We show that, when connected with monopoles, the flat $D$-flat direction breaking the local $U(1)_{B-L}$ symmetry as an extension of the minimal supersymmetric standard model can be responsible for the signal of a stochastic gravitational wave background recently reported by NANOGrav collaborations, while naturally satisfying constraints at high frequency band. Thanks to the flatness of the direction, a phase of thermal inflation arises naturally. The reheating temperature is quite low, and suppresses signals at frequencies higher than the characteristic frequency set by the reheating temperature. Notably, forthcoming spaced-based experiments such as LISA can probe the cutoff frequency, providing an indirect clue of the scale of soft SUSY-breaking mass parameter.

연구 동기 및 목표

• U(1)_{B-L}의 평면 방향 breaking을 SUSY 확장 내에서 난확률적 중력파의 원천로 동기화한다.
• 평면 방향의 다이나믹스를 열적 인플레이션과 낮은 재가열 온도와 연결하여 고주파 GW 신호를 억제한다.
• 이 구성에서의 메타-안정 코스믹 스트링이 고주파 제약을 만족하면서 NANOGrav 데이터를 설명하는 방법을 보인다.
• 향후 임무에서 관측 가능한 GW 스펙트럴 굴곡을 통해 SUSY 소프트 질량 스케일의 간접 탐지 가능성을 강조한다.

제안 방법

• SU(3)_c×SU(2)_L×U(1)_R×U(1)_{B-L} 대칭과 Φ_1 및 Φ_2를 따라 φ로 매개된 D-플랫 방향을 가진 SUSY 모델을 구성한다.
• 소프트 SUSY-브레이킹 항과 비규칙적 연산자를 포함한 D-플랫 방향에 대한 스칼라 퍼텐셜 V를 도출한다.
• T_b에서 시작되고 T_c에서 종료되는 플랫 방향에 의해 구동되는 열적 인플레이션을 분석하고 플랫온의 붕괴에서 재가열 온도 T_d를 계산한다.
• 모노폴-안티모노폴 쌍을 통한 메타-안정 스트링의 형성 및 소멸을 모델링하고 굽은 점이 있는 스트링 버스트로부터의 중력파 스펙트럼을 추정한다.
• 방출 방법을 이용한 GW 스펙트럼 계산에서 방출 루프 분포를 방사 시대와 물질 시대에 적용하고 zippering 효과와 T_d에 의해 설정된 고주파 커트오프를 포함한다.
• φ_0와 κ를 추론하기 위한 LV3 제약과의 비교를 위해 NANOGrav 15년 데이터에 대해 베이지안 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SUSY 프레임워크에서 U(1)_{B-L}의 평면 방향 breaking이 NANOGrav 15년 데이터와 일치하는 SGWB를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 시나리오에서 예측되는 GW 신호의 고주파 커트오프는 무엇이며 LISA나 DECIGO와 같은 향후 검출기로 테스트될 수 있는가?
• RQ3 열적 인플레이션과 그 다음의 물질 우세 시대가 메타-안정 스트링의 GW 스펙트럼에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 GW 스펙트럼의 굴곡 주파수로부터 어떤 SUSY 소프트 질량 스케일 정보를 간접적으로 추론할 수 있는가?

주요 결과

Parameter	68% interval	95% interval
log10(φ0/GeV)	[15.64,16.73]	[14.78,16.80]
sqrt(κ)	[7.81,8.09]	[7.80,8.30]

• 특정 매개변수 선택에서 NANOGrav 15년 신호를 설명할 수 있는 GW 스펙트럼을 생성하면서 고주파 제약과 일치한다.
• GW 스펙트럼의 고주파 커트오프는 낮은 재가열 온도 T_d에 의해 설정되며, 고려된 매개변수 집합에서는 굴곡 주파수 f_*가 LISA 대역 안에 있다.
• 플랫-포텐셜 스트링의 zippering은 GW 신호를 강화하고 GUT 규모 대칭 breaking과의 호환성을 가능하게 한다.
• m_φ = 20 TeV인 베이지안 적합은 68% 및 95% 신뢰 구간을 산출한다: log10(φ_0/GeV) 은 [15.64,16.73] 및 [14.78,16.80], sqrt(κ) 은 [7.81,8.09] 및 [7.80,8.30].
• 예측된 GW 스펙트럼은 저주파 상승, 평면 구간, 고주파 f^{-1/3} 하강을 특징으로 하며, 굴곡 주파수 f_*가 T_d에 연계되어 향후 검출기에 접근 가능하다.