[논문 리뷰] The Stochastic Gravitational-Wave Background from Primordial Black Holes in R-Symmetric $SU(5)$ Inflation

Nadir Ijaz, Maria Mehmood외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 28.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 게이지 커플링 통일을 달성하고 암흑물질을 원시 블랙홀(PBHs)을 통해 설명하는, 스케일이 없는 R-대칭 SU(5) GUT 모델을 제안한다. 이 모델은 비최소적 힉스 인플레이션을 통해 강화된 스칼라 펌퍼베이션을 통해 원시 블랙홀(PBHs)을 생성하며, 이로 인해 현재 및 향후 탐지기에서 감지 가능한 스테이티스티컬 중력파 배경(SIGW)이 발생한다. 모델은 게이지 커플링 통일을 실현하고, 단일 50-플렛을 통해 자연스러운 디블릿-트리플렛 분리 문제를 해결하며, tanβ > 42일 경우, Hyper-K와 DUNE와 같은 향후 실험에서 관측 가능한 프로톤 붕괴를 예측한다. 이는 천체물리학적 제약과 일치한다.

ABSTRACT

This study explores the realization of nonminimally coupled Higgs inflation in the context of no-scale supergravity, investigates the formation of primordial black holes, and examines the potential for observable proton decay within the framework of the R-symmetric $SU(5)$ model. For inflation, both single and multifield scenarios are investigated. The prediction of the single-field model for the tensor-to-scalar ratio, $r$, is approximately $10^{-3}$, and the scalar spectral index falls within Plank's 1$σ$ range. The running of the scalar spectral index, $-{dn_{s}}/{d\ln{k}}$, is approximately $10^{-4}$. A realistic scenario of reheating and non-thermal leptogenesis is employed with reheat temperature $T_r\sim10^9$ GeV. In the multifield case, we mainly focus on Primordial Black Holes (PBHs) and Gravitational Waves (GWs). In this inflationary framework, we demonstrate how a suitable choice of parameters can result in an enhanced scalar power spectrum, leading to the production of primordial black holes (PBHs) capable of fully accounting for dark matter. We also show that this scenario leads to Scalar Induced Gravitational Waves (SIGW) which can be detected in current and future GW detectors. We explore different proton decay channels to look for observable predictions for the next-generation proton decay experiments Hyper-K and DUNE consistent with gauge coupling unification and cosmological bounds.

연구 동기 및 목표

• 스케일이 없는 R-대칭 SU(5) GUT에서 게이지 커플링 통일을 달성하고 원시 블랙홀(PBHs)을 통해 암흑물질을 설명하는 타당한 인플레이션 시나리오를 구축하기.
• 다중장 인플레이션 프레임워크에서 강화된 스칼라 스펙트럼을 통해 PBH 형성을 연구하기.
• 현재 및 향후 중력파 탐지기에서 PBH 형성에 기인한 스칼라 유도 중력파(SIGW)의 감지 가능성 탐색하기.
• 다음 세대 실험인 Hyper-K와 DUNE와 같은 실험에서의 관측 가능성에 초점을 맞춘 모델의 프로톤 붕괴 예측 평가하기.
• 누락된 파트너 메커니즘을 통해 게이지 커플링 통일, 천체물리학적 제약, 디블릿-트리플렛 분리 문제를 동시에 만족시키기.

제안 방법

• 스케일이 없는 Kähler 포텐셜을 R-대칭 SU(5) GUT에 도입하여, 힉스 필드를 인플라톤으로 삼는 비최소적 힉스 인플레이션을 실현한다.
• 단일 50-플렛 초필드 쌍을 사용하여 자연스러운 디블릿-트리플렛 분리를 달성하여, 가벼운 힉스 디블릿과 무거운 색상 트리플렛을 확보한다.
• 강화된 스칼라 스펙트럼을 가진 다중장 인플레이션 시나리오를 구현하여, 암흑물질을 완전히 설명할 수 있는 PBH를 생성한다.
• 이차 순서 펌퍼베이션 이론을 사용하여 곡률 펌퍼베이션으로부터 스칼라 유도 중력파(SIGW)를 계산한다.
• 이중 고리 양자역학적 군집 분석(RGE)을 수행하여 MSSM과 R-대칭 SU(5) 게이지 커플링을 통합 스케일에서 일치시킨다.
• 초기 슈퍼히긴스를 통한 색상 트리플렛을 매개로 하는 디멘션-5 연산자를 통해 프로톤 붕괴 분해율을 평가하며, Super-K, Hyper-K, DUNE의 제약 조건을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스케일이 없는 R-대칭 SU(5) GUT 모델에 비최소적 힉스 인플레이션을 적용할 경우, Planck 2018 데이터와 일치하는 스칼라 스펙트럼 지수와 텐서 대 스칼라 비율을 예측할 수 있는가?
• RQ2 다중장 인플레이션 시나리오에서 어떤 매개변수 범위가 암흑물질를 완전히 설명할 수 있는 PBH 형성을 이끌어내는가?
• RQ3 PBH 형성에 기인한 스칼라 유도 중력파 배경은 현재 및 향후 중력파 탐지기에서 감지 가능한가?
• RQ4 다음 세대 실험인 Hyper-K와 DUNE에서 관측 가능한 프로톤 붕괴 채널과 매개변수 범위는 무엇인가?
• RQ5 R-대칭과 단일 50-플렛의 도입이 게이지 커플링 통일을 실현하면서도 디블릿-트리플렛 분리 문제를 해결하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 단일장 힉스 인플레이션 모델은 스칼라 스펙트럼 지수 $n_s \sim 0.965$와 텐서 대 스칼라 비율 $r \sim 0.0035$를 예측하며, 이는 모두 Planck 2018 1-$\sigma$ 범위 내에 있다.
• 스칼라 스펙트럼 지수의 변화율은 $-dn_s/d\ln k \sim 10^{-4}$이며, 관측 제약 조건과 일치한다.
• 강화된 스칼라 스펙트럼을 가진 다중장 인플레이션 시나리오는 암흑물질를 완전히 설명할 수 있는 PBH를 생성하며, 재열 온도 $T_r \sim 10^9$ GeV와 $53.3-54.7$ 에포크를 포함한다.
• 모델은 스칼라 유도 중력파를 통해 스테이티스티컬 중력파 배경을 생성하며, LISA, BINGO, 에인절스타인 전기계와 같은 현재 및 향후 중력파 탐지기에서 감지 가능하다.
• 프로톤 붕괴는 $\tan\beta > 42$일 경우에만 $\bar{\nu}_i K^+$ 채널에서 관측 가능하며, $\kappa \geq 0.0005$일 경우 색상 트리플렛 질량의 하한은 $M_T \gtrsim 3.4 \times 10^{13}$ GeV이며, 이는 천체물리학적 제약과 일치한다.
• 모델은 중간 스케일 상태(색상 옥텟, 전자약력 트리플렛, 색상 트리플렛)를 포함하여 게이지 커플링 통일을 달성하며, 단일 50-플렛 쌍을 통해 자연스러운 디블릿-트리플렛 분리를 실현한다.