[论文解读] Inflation, superheavy metastable strings and gravitational waves in non-supersymmetric flipped SU(5)

G. Lazarides, Rinku Maji+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy参考文献 78被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种非超对称的翻转SU(5)混合暴胀模型，其中超重的亚稳态宇宙弦在暴胀后依然存在，并产生与NANOGrav 15年数据及先进LIGO-Virgo第三轮观测约束相兼容的随机引力波背景。该模型通过量子隧穿介导的弦上单极子-反单极子对产生机制实现$G\mu \sim 10^{-6}$，暴胀抑制了高频引力波功率，同时预测质子寿命为$10^{36}-10^{37}$年。

ABSTRACT

Motivated by the NANOGrav 15 year data and other recent investigations of stochastic gravitational background radiation based on pulsar timing arrays, we show how superheavy strings survive inflation but the slightly heavier monopoles do not in a non-supersymmetric hybrid inflation model based on flipped $SU(5)$. With the dimensionless string tension parameter $G μ\sim 10^{-6}$, the gravitational wave spectrum emitted by the strings, which are metastable due to breaking caused by monopole-antimonopole quantum mechanical tunneling, is compatible with the latest NANOGrav measurement as well as the advanced LIGO-VIRGO third run data. The string network undergoes about 30 $e$-foldings of inflation which suppresses the spectrum in the LIGO-VIRGO frequency range. With the symmetry breaking chain $SU(5) imes U(1)_X o SU(3)_c imes SU(2)_L imes U(1)_Z imes U(1)_X o SU(3)_c imes SU(2)_L imes U(1)_ Y$, the estimated proton lifetime is of order $10^{36}-10^{37}$ yrs.

研究动机与目标

• 将脉冲星计时阵列（NANOGrav）观测到的随机引力波背景与先进LIGO-Virgo数据相协调，使用一个可行的粒子物理模型。
• 解释尽管暴胀抑制了更重的单极子，为何超重的亚稳态宇宙弦能在暴胀后依然存在。
• 构建一个非超对称的翻转SU(5)模型，同时容纳暴胀、亚稳态弦以及与实验限制一致的质子寿命。
• 确保标量谱指数和张量标量比与当前宇宙微波背景（CMB）观测一致。
• 计算来自亚稳态弦的引力波谱，并验证其与低频和高频观测约束的兼容性。

提出的方法

• 采用非超对称的翻转SU(5)规范群，其中$SU(5) \times U(1)_X$为高能下未破缺的规范对称性。
• 采用两级对称性破缺过程：$SU(5) \times U(1)_X \to SU(3)_c \times SU(2)_L \times U(1)_Z \times U(1)_X \to SU(3)_c \times SU(2)_L \times U(1)_Y$，通过希格斯场$\Phi$和$\Psi$产生单极子和弦。
• 引入一个实单态标量$S$作为暴胀场，驱动具有Coleman-Weinberg一阶量子修正势的混合暴胀。
• 应用单极子-反单极子对的量子隧穿机制以稳定弦，使其在单极子被暴胀抑制的背景下仍保持亚稳态。
• 利用$f^2$低频、标度不变平台以及$f^{-1/3}$高频行为（依赖于$t_F$）计算弦网络的引力波谱。
• 使用$\sim 30$个$e$-foldings来抑制高频谱，使$G\mu \sim 10^{-6}$与LIGO-Virgo第三轮数据相兼容。

实验结果

研究问题

• RQ1 非超对称的翻转SU(5)模型能否产生在暴胀后依然存在的亚稳态超重宇宙弦，并产生与NANOGrav 15年数据一致的引力波谱？
• RQ2 暴胀如何抑制LIGO-Virgo频段的引力波谱，同时在较低频段保留可探测的信号？
• RQ3 该模型预测的质子寿命是多少？是否满足Super-Kamiokande和Hyper-Kamiokande当前实验的下限约束？
• RQ4 Coleman-Weinberg一阶量子修正如何影响暴胀势以及$ n_s $和$ r $等可观测量？
• RQ5 量子隧穿在克服单极子暴胀抑制的同时，如何实现亚稳态弦的作用？

主要发现

• 该模型预测的引力波谱具有$G\mu \sim 10^{-6}$，与NANOGrav 15年数据及先进LIGO-Virgo第三轮观测约束一致。
• 弦网络经历了约30个$e$-foldings的暴胀，有效抑制了高频引力波功率，从而与LIGO-Virgo观测结果相兼容。
• 预测的标量谱指数为$n_s \simeq 0.963$，与普朗克及其他CMB测量结果高度一致。
• 张量标量比估计在$r \sim 10^{-4} - 10^{-3}$范围内，与当前观测限制一致。
• 质子寿命估计为$\tau_p \approx 2.1 \times 10^{36}$年（BP1）和$1.3 \times 10^{37}$年（BP2），两者均高于Super-Kamiokande的下限。
• 暴胀势的一阶Coleman-Weinberg修正略微改善了与暴胀可观测量的一致性，尽管其量级仍较小。