[논문 리뷰] U(1)_B-L: Neutrino Physics and Inflation

V. N. Şenoğuz, Qaisar Shafi|ArXiv.org|2005. 12. 13.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중성자 질량 생성, 인플레이션, 렙토제네시스를 한 번에 통합하는 초대칭적 $U(1)_{B-L}$ 확장을 제안한다. 이는 약 $10^{16}$ GeV에서 붕괴되는 게이지된 $U(1)_{B-L}$ 대칭을 통해 이루어지며, 시즈모드 메커니즘은 가벼운 중성자 질량을 설명하고, 인플레이션 장 $S$ 가 이끌어내는 인플레이션은 스칼라 스펙트럼 지수 $n_s = 0.99 \pm 0.01$ 과 무시할 만한 텐서 대 스칼라 비율을 제공하여 CMB 관측과 일치한다.

ABSTRACT

A gauged U(1)_B-L symmetry predicts three right handed handed neutrinos and its spontaneous breaking automatically yields the seesaw mechanism. In a supersymmetric setting this breaking can be nicely linked with inflation to yield deltaT/ T proportional to (M_B-L / M_P)^2, where M_B-L (M_P) denote the B-L breaking (Planck) scale. Thus M_B-L is estimated to be of order 10^16 GeV, and the heaviest right handed neutrino mass is less than or of order 10^14 GeV. A second right handed neutrino turns out to have a mass of order 10-10^2 T_r, where T_r (=0.97. The tensor to scalar ratio r is negligible, and dn_s/dlnk

연구 동기 및 목표

• 중성자 질량 생성, 인플레이션, 렙토제네시스를 초대칭적 $U(1)_{B-L}$ 확장된 MSSM 내에서 통합하기.
• CMB 이방이성 $\delta T/T$ 에서의 인플레이션 제약 조건을 이용해 $B-L$ 붕괴 스케일 $M_{B-L}$ 을 결정하기.
• 초대칭적 $U(1)_{B-L}$ 모델 내에서 $\mu$-문제를 해결하고, $U(1)_R$ 대칭을 통해 차원 다섯의 양성자 붕괴를 억제하기.
• 재가열 온도 $T_r$ 가 성공적인 렙토제네시스와 중성미자 제약 조건과 호환되도록 보장하기.

제안 방법

• 게이지 스케일러의 초대칭 하이브리드 인플레이션을 구현하기 위해, $U(1)_{B-L}$ 에 대해 변환하는 초대칭 스칼라 장 $S$ 와 쌍 $\Phi, \overline{\Phi}$ 를 사용하고, 초위력 $W = \kappa S(\Phi\overline{\Phi} - M^2)$ 를 설정한다.
• $U(1)_R$ R-대칭을 사용하여, 재규격화 수준에서 $\mu$-항을 금지하고, 인플레이션 이후 $\langle S \rangle$ 를 통해 그의 동적 생성을 허용한다.
• 일계 반복 보정을 포함한 로그 항($\kappa$, $M$, $S$ 의 함수)을 가진 효과적 포텐셜을 계산한다.
• SUGRA 보정을 포함한 인플레이션 포텐셜에서 스칼라 스펙트럼 지수 $n_s$ 와 텐서 대 스칼라 비율 $r$ 을 유도한다.
• 재가열 온도 $T_r$ 를 인플레이션 장의 붕괴 너비 $\Gamma_h \propto \lambda^2 m_\chi$ 와 연결하며, $\lambda$ 는 $\lambda S h^2$ 항에서 유래한다.
• $U(1)_R$ 의 $Z_2$ 부분군을 물질 대칭성으로 사용하여, 차원 다섯의 양성자 붕괴를 억제하고 LSP 를 안정화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMB 이방성 $\delta T/T$ 에 의한 인플레이션 제약 조건으로부터 $B-L$ 붕괴 스케일 $M_{B-L}$ 은 어떻게 제약을 받는가?
• RQ2 초대칭적 $U(1)_{B-L}$ 모델 내에서 동적 $\mu$-항 생성을 통해 MSSM $\mu$-문제는 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ3 $U(1)_R$ 대칭은 인플레이션 유도, 양성자 붕괴 억제, LSP 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 렙토제네시스와 중성미자 제약 조건을 충족하는 재가열 온도 $T_r$ 과 인플레이션 장 상호작용 계수 $\kappa$ 의 타당한 범위는 무엇인가?
• RQ5 하이브리드 및 스무스 하이브리드 인플레이션에서 스칼라 스펙트럼 지수 $n_s$ 와 텐서 대 스칼라 비율 $r$ 은 모델 매개변수에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• $B-L$ 붕괴 스케일은 $M_{B-L} \sim 10^{16}$ GeV 로 제약되며, 시즈모드 메커니즘과 CMB 이방성에서 관측된 $\delta T/T$ 와 일치한다.
• 가장 단순한 모델에서 스칼라 스펙트럼 지수는 $n_s = 0.99 \pm 0.01$ 으로 예측되며, $r \ll 1$ 이고 $dn_s/d\ln k \lesssim 10^{-3}$ 이다.
• 스무스 하이브리드 인플레이션의 경우 $n_s \geq 0.97$ 이고, 텐서 대 스칼라 비율은 여전히 무시할 만하다.
• 재가열 온도 $T_r$ 는 하이브리드 모델의 경우 $2 \times 10^7$ GeV 이상, 스무스 모델의 경우 $4 \times 10^9$ GeV 이상으로, 모델 세부 사항과 $\lambda$ 상호작용 계수에 따라 달라진다.
• $\lambda S h^2$ 항을 초위력에 포함하면 $T_r$ 이 크게 증가하며, 하이브리드 인플레이션의 경우 $T_r \gtrsim 4 \times 10^8$ GeV, 스무스 하이브리드 인플레이션의 경우 $\gtrsim 10^{12}$ GeV 가 된다.
• 가장 무거운 오른쪽 손질 중성자 질량은 $\lesssim 10^{14}$ GeV 으로 추정되며, 두 번째 오른쪽 손질 중성자는 $T_r$ 의 약 $10-10^2$ 배 정도의 질량을 가진다.