[论文解读] Double sneutrino inflation and its phenomenologies

Xiao-Jun Bi, Bo Feng+1 more|ArXiv.org|Sep 17, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

该论文在最小超对称跷跷板框架中提出了一个双右手中微子超重希格斯场（double sneutrino inflation）模型，其中暴胀首先由较重的右手中微子超重希格斯场 $\tilde{N}_2$ 驱动，随后由较轻的 $\tilde{N}_1$ 继续驱动，质量比满足 $6 \lesssim M_2/M_1 \lesssim 10$。该模型在大尺度上抑制了原初标量谱，导致宇宙微波背景辐射（CMB）TT四极矩显著低于单个右手中微子超重希格斯场模型，且在约1.5σ置信水平下与WMAP数据更为吻合。

ABSTRACT

In this paper we study double scalar neutrino inflation in the minimal supersymmetric seesaw model in light of WMAP. Inflation in this model is firstly driven by the heavier sneutrino field $ ilde{N}_2$ and then the lighter field $ ilde{N}_1$. we will show that with the mass ratio $6\lesssim M_2/M_1 \lesssim 10$ the model predicts a suppressed primordial scalar spectrum around the largest scales and the predicted CMB TT quadrupole is much better suppressed than the single sneutrino model. So this model is more favored than the single sneutrino inflation model. We then consider the implications of the model on the reheating temperature, leptogenesis and lepton flavor violation. Our results show that the seesaw parameters are constrained strongly by the reheating temperature, together with the requirement by a successful inflation. The mixing between the first generation and the other two generations in the right-handed neutrino sector is tiny. The rates of lepton flavor violating processes in our scenario depend on only 4 unknown seesaw parameters through a 'reduced' seesaw formula, besides $U_{e3}$ and the supersymmetric parameters. We find that the branching ratio of $μ o e γ$ is generally near the present experimental limit, while ${ m Br}(τ o μγ)$ is around $\mathcal{O}(10^{-10} - 10^{-9})$.

研究动机与目标

• 解决WMAP观测中CMB TT四极矩与谱指数运行之间的不一致问题。
• 探讨在最小超对称跷跷板模型中，双右手中微子超重希格斯场暴胀机制是否能比单个右手中微子超重希格斯场模型更好地解释CMB数据。
• 通过重加热温度、重子生成与轻子味破坏（LFV）过程，对跷跷板参数进行约束。
• 确定该模型在中微子质量、LFV衰变率与重子不对称性方面的现象学影响。

提出的方法

• 将暴胀建模为具有势能 $V(\phi_1,\phi_2) = \frac{1}{2}m_1^2\phi_1^2 + \frac{1}{2}m_2^2\phi_2^2$ 的双场混沌暴胀，其中 $\phi_1 = \tilde{N}_1$，$\phi_2 = \tilde{N}_2$。
• 利用包含三个右手中微子的跷跷板机制生成轻左手中微子质量，其中最重的 $\tilde{N}_3$ 在暴胀过程中被解耦。
• 应用“简化”跷跷板公式，将LFV速率表示为仅四个未知跷跷板参数 $U_{e3}$ 与SUSY参数的函数。
• 计算原初功率谱，并与WMAP第一年数据对比，以约束质量比 $M_2/M_1$。
• 通过引力子问题对重加热温度施加约束，以限制跷跷板参数空间。
• 通过最轻右手中微子超重希格斯场的衰变分析非热重子生成过程，其重子不对称性取决于跷跷板参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 双右手中微子超重希格斯场暴胀模型是否能比单个右手中微子超重希格斯场模型更有效地抑制CMB TT四极矩，从而更好地符合WMAP观测？
• RQ2 引力子问题与重加热温度的约束如何在此暴胀背景下塑造跷跷板模型的可行参数空间？
• RQ3 该模型中轻子味破坏过程（如 $\mu \to e\gamma$ 与 $\tau \to \mu\gamma$）的分支比预测为何？
• RQ4 在该双右手中微子超重希格斯场暴胀设定中，重子生成与轻子味破坏之间是否存在关联？
• RQ5 该模型能否解释观测到的重子不对称性与无中微子双贝塔衰变信号？

主要发现

• 在 $6 \lesssim M_2/M_1 \lesssim 10$ 且 $M_1 \sim 1.7 \times 10^{13}$ GeV 的条件下，双右手中微子超重希格斯场模型在大尺度上抑制了原初标量谱，导致CMB TT四极矩显著低于单个右手中微子超重希格斯场模型。
• 该抑制效应改善了与WMAP数据的一致性，使该模型在约1.5σ置信水平下优于单个右手中微子超重希格斯场情景。
• 引力子问题将重加热温度约束在 $\lesssim \mathcal{O}(10^{10})$ GeV，这强烈限制了跷跷板参数空间。
• $\mu \to e\gamma$ 的分支比通常接近或超过当前实验极限，而 $\text{Br}(\tau \to \mu\gamma)$ 预测值为 $\mathcal{O}(10^{-10} - 10^{-9})$，远低于当前实验上限。
• 重子生成源于最轻右手中微子超重希格斯场的衰变，通过调节跷跷板参数可成功生成重子不对称性。
• 无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳质量估计为 $\langle m \rangle_{ee} \sim (2\sim 4) \times 10^{-3}$ eV，难以解释任何观测到的此类衰变信号。