[论文解读] Supersymmetric Hybrid Inflation

G. Lazarides|ArXiv.org|Nov 9, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种超对称杂交暴胀模型，通过利用辐射修正生成暴胀势能，自然避免了微调问题；通过Peccei-Quinn对称性成功解决了$μ$问题；并实现了自然的轻子生成与引力ino再加热约束。该研究引入了两种扩展——偏移型与平滑型杂交暴胀，以防止在更高GUT（如$SU(4)_c \times SU(2)_L \times SU(2)_R$）中产生过量磁单极子，实现了与CMB观测及中微子振荡数据的一致性。

ABSTRACT

The non-supersymmetric and supersymmetric versions of hybrid inflation are summarized. It is emphasized that supersymmetric hybrid inflation (with its extensions) is an extremely "natural" inflationary scenario since it does not require "tiny" parameters, its superpotential has the most general form allowed by the symmetries, and it can be protected against radiative or supergravity corrections. A concrete supersymmetric grand unified theory which leads to hybrid inflation, solves the mu problem and generates seesaw masses for the light neutrinos is constructed. The "reheating" which follows hybrid inflation is studied in this theory. It is shown that the gravitino constraint on the "reheat" temperature can be "naturally" satisfied. Also, the observed baryon asymmetry of the universe can be generated via a primordial leptogenesis consistently with the requirements from solar and atmospheric neutrino oscillations. Extensions of the standard supersymmetric hybrid inflationary scenario which are still consistent with all these requirements but can also avoid the cosmological disaster from the possible copious monopole production at the abrupt termination of standard hybrid inflation are constructed. They rely on utilizing the leading non-renormalizable correction to the standard hybrid inflationary superpotential and are necessary for higher unified gauge groups which predict the existence of monopoles.

研究动机与目标

• 开发一种超对称杂交暴胀情景，避免非超对称模型中所需的微小耦合常数等参数的微调。
• 在单一超对称GUT框架内，统一暴胀、$μ$问题的解决以及 seesaw 型中微子质量的生成。
• 通过引入平滑或偏移的暴胀轨迹，解决标准杂交暴胀中因突变相变引发的宇宙磁单极子问题。
• 确保暴胀后的再加热过程满足引力ino约束，并通过与太阳与大气中微子振荡数据一致的原初轻子生成机制实现重子生成。

提出的方法

• 利用可重整化的超势$W = \kappa S(-M^2 + \bar{\phi}\phi)$在标量势中生成平坦方向，辐射修正提供必要的暴胀斜率。
• 引入Peccei-Quinn对称性，通过单态场的真空期望值动态生成$μ$项，从而自然解决$μ$问题。
• 构建偏移型杂交暴胀模型，使暴胀沿已被统一规范对称性破缺的类经典平坦方向进行，避免磁单极子产生。
• 通过离散对称性移除三线项，构建平滑型杂交暴胀模型，实现暴胀结束过程的稳定与非突变。
• 应用$\epsilon$与$\eta$判据计算模数折叠数与CMB四极矩各向异性，使用自然参数值与COBE观测结果一致。
• 施加引力ino过量产生与中微子振荡数据的约束，验证模型与宇宙观测的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超对称杂交暴胀能否以避免耦合常数与质量参数微调的方式实现？
• RQ2 在支持杂交暴胀的超对称大统一理论（SUSY GUT）中，如何自然地解决$μ$问题？
• RQ3 在$SU(4)_c \times SU(2)_L \times SU(2)_R$等更高GUT中，应采用何种机制防止暴胀末期灾难性的磁单极子产生？
• RQ4 能否在不违反引力ino约束或中微子振荡数据的前提下，实现成功的再加热与通过原初轻子生成的重子生成？
• RQ5 能否使暴胀动力学变得平滑稳定，避免导致拓扑缺陷的突变瀑布相变？

主要发现

• 该模型使用$M \approx 2.86 \times 10^{16}$ GeV与$m \approx 1.3 \kappa \sqrt{\lambda} \times 10^{15}$ GeV，自然实现了$6.6 \times 10^{-6}$的CMB四极矩各向异性，与COBE测量结果一致。
• 当引力ino衰变到光子的分支比降低且$m_{3/2} \sim$ 几百GeV时，再加热温度$T_r \lesssim 10^{10}$ GeV的引力ino约束可自然满足。
• 该模型通过原初轻子生成机制产生重子不对称性，与太阳与大气中微子振荡数据一致。
• 在$SU(3)_c \times SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ GUT中，发现$M_S \approx 7.89 \times 10^{17}$ GeV与$\mu \approx 1.04 \times 10^{15}$ GeV为自然值。
• 在平滑型杂交暴胀扩展中，暴胀子质量为$m_{\text{infl}} \approx 1.07 \times 10^{14}$ GeV，且由于暴胀路径上势能稳定，暴胀结束过程平滑。
• 在偏移型杂交暴胀模型中，通过确保暴胀发生在对称性已破缺的方向上，避免了磁单极子产生，从而消除了拓扑缺陷灾难。