[論文レビュー] Inflation in Supergravity with a Single Superfield

Takahiro Terada|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、追加の安定化超多重項を必要とせず、単一のキラル超多重項のみを用いて、超対称重力理論における大領域インフレーションを実現するための新規フレームワークを提案する。カリーパテンシャルに高次元項を導入することにより、インフレートンのスカラー補助粒子が安定化され、平坦で正のポテンシャルが確保され、微調整を要せず自然なインフレーションが可能になる。

ABSTRACT

Supergravity is a well-motivated theory beyond the standard model of particle physics, and a suitable arena to study high-energy physics at the early universe including inflation, whose observational evidences are growing more and more. Inflation in supergravity, however, cannot be easily described because of restrictions from supersymmetry (SUSY). The scalar potential has an exponential factor and a large negative term whereas a flat and positive potential is needed to realize inflation. The standard method to obtain such an inflationary scalar potential requires an additional superfield to the one containing inflaton. In this thesis, we propose and develop an alternative method which does not require the additional superfield and thus reduces the necessary degrees of freedom by half. That is, we study inflation in supergravity with only a single chiral superfield which contains inflaton. We accomplish it by introducing a higher dimensional term in the inflaton Kahler potential, which plays an important dual role: fixing the value of the scalar superpartner of the inflaton resulting in effective single field models, and ensuring the positivity of the inflaton potential at the large field region. Our proposal is not just particular models but rather a new framework to realize various inflationary models in supergravity. In particular, large field inflation in supergravity using one superfield without tuning has become possible for the first time. In our generic models, SUSY breaking at the inflationary scale by inflaton is not completely restored after inflation, so null results for SUSY search at the LHC are predicted for the simplest cases. Remarkably, however, it is possible with tuning to embed arbitrary positive semidefinite scalar potentials into supergravity preserving SUSY at the vacuum. Our discovery opens up an entirely new branch of model building of inflation in supergravity.

研究の動機と目的

• 追加の補助的安定化超多重項を必要としない、超対称重力理論における実現可能なインフレーションモデルを構築する課題を解決すること。
• 超対称重力理論において、通常指数関数的で負の項を含むスカラー・ポテンシャルが、インフレーション期に平坦で正のポテンシャルを必要とするという、本質的な矛盾を解消すること。
• 微調整を要せず、単一超多重項モデルにおける大領域インフレーションを可能にする一般化されたフレームワークを開発すること。
• このフレームワークにおけるインフレーション期の超対称性の破れの影響と、LHCの制約を含む物性的結果を検討すること。
• モビウス変換と双対性対称性を用いた、カリーパテンシャルの修正の幾何学的・対称性に基づく理解を確立すること。

提案手法

• 単一キラル超多重項のカリーパテンシャルに高次元項を導入し、インフレートン超多重項のスカラー成分を動的に固定する。
• インフレートン超多重項の虚部のシフト対称性を活用し、大スケール場値におけるスカラー・ポテンシャルの安定化を実現する。
• ダイルレーションおよびシフト対称性の下で必要な双対性構造（モビウス群）を保つように、修正されたカリーパテンシャルを採用する。
• カリーパテンシャルの高次項を調整することにより、大スケール場値で平坦な領域を持つスカラー・ポテンシャルを構築する。
• モデルが追加の超多重項を必要とせず、パラメータの微調整なしに自然に大領域インフレーションを支持することを示す。
• 修正されたカリーパテンシャルから導かれるインフレートン・ポテンシャルを基に、スローロールパラメータと観測予測（ns, r, As）を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加の補助的安定化超多重項を必要とせず、単一キラル超多重項のみを用いて、超対称重力理論で大領域インフレーションを実現できるか？
• RQ2 カリーパテンシャルに高次元項を含めることで、インフレートンのスカラー補助粒子はどのように安定化され、平坦なポテンシャルが確保されるか？
• RQ3 この単一超多重項フレームワークにおけるインフレーション期の超対称性破れにどのような影響があるか？
• RQ4 このモデルの観測予測（ns, r, As）は、Planck 2015 データとどのように一致するか？
• RQ5 提案されたカリーパテンシャル構造は、カリーパテンシャル幾何学における既知の対称性、たとえばダイルレーション対称性やシフト対称性と関連しているか？

主な発見

• 本モデルは、追加の安定化超多重項を必要とせず、単一キラル超多重項のみを用いて超対称重力理論における大領域インフレーションを実現する。
• カリーパテンシャルに高次元項を導入することで、インフレートンのスカラー補助粒子が固定され、効果的に単一場有効理論に還元される。
• カリーパテンシャルの特定の構造のおかげで、大スケール場値においてスカラー・ポテンシャルが平坦で正しくなるため、成功したスローロールインフレーションが可能になる。
• モデルは、インフレーション期の超対称性破れがインフレートン超多重項によって駆動され、安定化超多重項ではなく、二重超多重項モデルとは明確に異なることを予測する。
• 最も単純な場合、弱エネルギー スケールにおける軽量スーパーパartnerの存在がないため、LHCにおける超対称性探索でゼロ結果を予測する。
• このフレームワークにより、カリーパテンシャルの調整を通じて、任意の正定値スカラー・ポテンシャルを超対称性が真空で保たれる形で超対称重力理論に埋め込むことが可能になる。