[论文解读] Dark matter and Inflation in PeV scale SUSY

Girish Kumar Chakravarty, Najimuddin Khan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2017

Computational Physics and Python Applications被引用 3

一句话总结

该论文提出一个在佩夫（PeV）能标下的统一超对称模型，同时解释宇宙暴胀和冰立方（IceCube）观测到的佩夫中微子。通过无尺度的Kähler势和通过希格斯-轻子超伴子耦合实现的D项暴胀，该模型实现了类似Starobinsky的暴胀，并产生一个6佩夫的费米子型暗物质粒子，其占宇宙剩余密度的约11%；该粒子衰变为中微子可重现冰立方的能谱，而规范统一和125吉电子伏的希格斯玻色子则通过GUT尺度超对称性破缺下的RGE演化得以保持。

ABSTRACT

We construct an unified model of inflation and PeV dark matter which is consistent with the CMB observations and can explain the PeV neutrinos at IceCube. A no-scale K\ahler potential and an appropriate choice of gauge kinetic function in MSSM superfields can result in Starobinsky like Higgs-sneutrino plateau inflation from $D$-term potential. The SUSY breaking at the PeV scale is achieved through the Polonyi field. This sets the scales $m_0, m_{\frac{1}{2}}, A_0$ at the GUT scale in terms of the parameters of the theory. The low energy (PeV scale) spectrum is obtained by running the RGEs. We show that the $\sim$125 GeV higgs and the gauge coupling unification can be achieved in this model. The $6$ PeV bino-type dark matter is a subdominant fraction ($\sim 11\%$) of the relic density and its decay gives the PeV scale neutrino flux observed at IceCube by choosing the couplings of the $R$-parity violating operators.

研究动机与目标

• 在与宇宙微波背景（CMB）观测一致的单一超对称框架内，统一暴胀与佩夫能标暗物质。
• 在高能标超对称性破缺的模型中，解释125吉电子伏希格斯玻色子的起源与规范耦合统一。
• 通过一个重的费米子型暗物质粒子衰变，解释冰立方观测到的佩夫中微子通量。
• 在无尺度MSSM设定下，利用希格斯与轻子超伴子场，实现具有Starobinsky型平台的D项暴胀。
• 通过GUT尺度边界条件（由Polonyi介导的超对称性破缺设定）的RGE演化，实现一致的低能谱。

提出的方法

• 在MSSM超多重态中采用无尺度Kähler势和特定规范动能函数，以生成用于暴胀的平坦D项势能。
• 利用Polonyi场在佩夫能标实现超对称性破缺，设定软质量参数m₀、m₁/₂和A₀的GUT尺度边界条件。
• 从GUT能标运行到电弱能标，通过微分方程（RGEs）确定低能谱。
• 引入R-奇偶性破坏算符并调节耦合常数，使6佩夫的费米子型暗物质粒子衰变为中微子，与冰立方观测通量匹配。
• 构建一个希格斯-轻子超伴子混合势能，通过D项贡献支持类似Starobinsky的暴胀平台。
• 通过验证暴胀模型中的标量谱指数与张量标量比，确保与CMB观测的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的佩夫能标超对称模型能否同时解释成功的D项暴胀与冰立方观测到的佩夫中微子通量？
• RQ2 在佩夫能标处实现高能标超对称性破缺的模型中，如何实现125吉电子伏希格斯质量与规范耦合统一？
• RQ3 Polonyi场在该统一框架中如何设定软质量的GUT尺度边界条件？
• RQ4 R-奇偶性破坏算符的引入如何使重的费米子型暗物质衰变为佩夫中微子，同时满足剩余密度约束？
• RQ5 无尺度Kähler势与D项势能联合在多大程度上能生成类似Starobinsky的暴胀平台？

主要发现

• 该模型通过包含希格斯与轻子超伴子场的D项势能，实现了类似Starobinsky的暴胀平台，与CMB观测一致。
• 125吉电子伏希格斯玻色子质量通过由佩夫能标超对称性破缺设定的GUT尺度边界条件下的RGE演化成功重现。
• 规范耦合统一在该模型中得以保持，表明与最小超对称大统一理论的一致性。
• 6佩夫的费米子型暗物质粒子约占总剩余密度的11%，与宇宙学约束一致。
• 该暗物质粒子通过R-奇偶性破坏算符衰变为中微子，可重现冰立方观测到的佩夫中微子通量。
• 通过RGE演化，该模型实现了自洽的低能谱，所有参数均由GUT尺度的本源理论决定。