[论文解读] Extending Starobinsky inflationary model in gravity and supergravity

S.V. Ketov, Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种最小的 $χ=1$ 超引力模型，将Starobinsky暴胀嵌入到一个大质量矢量多重态中，避免了标量多重态暴胀子相关的 $η$-问题，并通过Polonyi超多重态实现自发SUSY破缺。该模型实现了可行的CMB谱，通过Schwinger效应产生引力ino暗物质，并通过Polonyi衰变实现，同时在标量势能发生特定形变时允许原初黑洞的形成，统一了暴胀、暗物质、暗能量和SUSY破缺于同一框架之下。

ABSTRACT

We review some recent trends in the inflationary model building, the supersymmetry (SUSY) breaking, the gravitino Dark Matter (DM) and the Primordial Black Holes (PBHs) production in supergravity. The Starobinsky inflation can be embedded into supergravity when the inflaton belongs to the massive vector multiplet associated with a (spontaneously broken) $U(1)$ gauge symmetry. The SUSY and R-symmetry can be also spontaneously broken after inflation by the (standard) Polonyi mechanism. Polonyi particles and gravitinos are super heavy and can be copiously produced during inflation via the Schwinger mechanism sourced by the Universe expansion. The overproduction and instability problems can be avoided, and the positive cosmological constant (dark energy) can also be introduced. The observed abundance of the Cold Dark Matter (CDM) composed of gravitinos can be achieved in our supergravity model too, thus providing the unifying framework for inflation, supersymmetry breaking, dark energy and dark matter genesis. Our supergravity approach may also lead to a formation of primordial non-linear structures like stellar-mass-type black holes, and may include the SUSY GUTs inspired by heterotic string compactifications, unifying particle physics with quantum gravity.

研究动机与目标

• 将Starobinsky $R^2$ 暴胀模型通过大质量矢量多重态嵌入 $χ=1$ 超引力，避免标量多重态暴胀子带来的 $η$-问题。
• 通过Polonyi机制在暴胀后实现自发超对称性破缺，实现de-Sitter真空和正宇宙学常数。
• 通过确保引力ino和Polonyi粒子为超重，解决引力ino过量产生和原初核合成（BBN）问题。
• 通过暴胀期间的Schwinger型产生机制和后续Polonyi衰变，生成观测到的冷暗物质丰度。
• 探索在暴胀动力学中通过标量势能不稳定性形成原初黑洞（特别是恒星级原初黑洞）的可能性。

提出的方法

• 使用大质量矢量多重态将Starobinsky模型嵌入 $χ=1$ 超引力，其中暴胀子属于 $D$-项势能，避免了 $F$-项稳定化问题。
• 引入一个具有线性超势的Polonyi标量超多重态，以触发自发SUSY破缺，并在暴胀后生成正宇宙学常数。
• 在暴胀期间利用Schwinger机制产生超重引力ino和Polonyi粒子，Polonyi粒子的衰变贡献于引力ino丰度。
• 构建形变后的标量势能 $V/V_0 = (1 + \xi - e^{-\alpha\phi} - \xi e^{-\beta\phi^2})^2$，在近拐点处实现大曲率涨落和原初黑洞形成。
• 通过调节参数 $\alpha$、$\beta$ 和 $\xi$，使模型与CMB观测一致，重现 $n_s \approx 0.965$ 和 $r \ll 0.1$。
• 分析从亚稳真真空到真真空的相变动力学和气泡成核过程，以第一类相变作为原初黑洞形成的来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过大质量矢量多重态而非标量多重态，将Starobinsky暴胀模型一致地嵌入 $χ=1$ 超引力？
• RQ2 在超引力框架中，如何在不违反BBN约束的前提下，通过自发超对称性破缺实现暴胀后正宇宙学常数？
• RQ3 该模型中观测到的冷暗物质丰度的起源是什么？是否能通过Schwinger产生机制和Polonyi衰变来解释？
• RQ4 在何种条件下，该超引力模型中可产生恒星级原初黑洞？
• RQ5 该标量势能形变能否同时支持可行的CMB观测和原初黑洞形成所需的大幅曲率涨落？

主要发现

• 该模型成功地将Starobinsky $R^2$ 暴胀嵌入 $χ=1$ 超引力，使用大质量矢量多重态，避免了 $η$-问题，并通过 $D$-项势能稳定了暴胀子。
• 引入具有线性超势的Polonyi超多重态，导致自发SUSY破缺和de-Sitter真空，与正宇宙学常数一致。
• 引力ino暗物质丰度通过暴胀期间的Schwinger产生和超重Polonyi粒子衰变共同实现，对于 $m_{3/2} \sim 10^6$ GeV 的引力ino质量，其遗迹密度正确。
• 形变后的标量势能 $V/V_0 = (1 + \xi - e^{-\alpha\phi} - \xi e^{-\beta\phi^2})^2$，其中 $\alpha = \sqrt{2/3}$，$\beta \geq 0$，$\xi \geq 0$，可实现近拐点，从而支持大曲率涨落和原初黑洞产生。
• 该模型预测可通过从亚稳真真空的第一类相变形成恒星级原初黑洞，其引力波信号可能被LIGO/Virgo探测到。
• 该框架与CMB观测、BBN约束一致，并提供了一个统一的暴胀、暗能量、暗物质和SUSY破缺的场景，其预测可在高能中微子和引力波实验中得到检验。