[论文解读] Monopole Problem and Extensions of Supersymmetric Hybrid Inflation

Rachel Jeannerot, Shaaban Khalil+1 more|ArXiv.org|Jun 4, 2001

Spectral Theory in Mathematical Physics被引用 4

一句话总结

该论文在Pati-Salam GUT框架下，提出了超对称杂交 inflation 的两个自然推广，通过早期GUT对称性自发破缺，防止了拓扑缺陷的形成，从而解决了宇宙学单极子问题。通过在超势能中引入一个非可重整项，并利用Peccei-Quinn对称性，该模型确保了在引力介子约束下的成功再加热，自然生成了$μ$-项，并通过与中微子振荡数据和质子稳定性一致的原初轻子生成机制实现了重子生成。

ABSTRACT

We discuss, in the context of a concrete supersymmetric grand unified model based on the Pati-Salam gauge group SU(4)_c x SU(2)_L x SU(2)_R, two "natural" extensions of supersymmetric hybrid inflation, which avoid the cosmological disaster encountered in the standard hybrid inflationary scenario from the overproduction of monopoles at the end of inflation. Successful "reheating" which satisfies the gravitino constraint takes place after the end of inflation. Also, adequate baryogenesis via a primordial leptogenesis occurs consistently with the solar and atmospheric neutrino oscillation data as well as the SU(4)_c symmetry. Moreover, the mu-term is generated via a Peccei-Quinn symmetry and proton is practically stable.

研究动机与目标

• 解决超对称GUT中标准杂交inflation情景固有的宇宙学单极子问题。
• 确保inflation后成功再加热，且满足引力介子对再加热温度的约束。
• 通过与太阳和大气中微子振荡数据一致的原初轻子生成机制，实现可行的重子生成。
• 通过Peccei-Quinn对称性动态生成$μ$-项，确保质子稳定性。
• 在Pati-Salam SUSY GUT框架内构建一个具有自然参数值的现实模型。

提出的方法

• 在超势能中引入主导的非可重整项，以在inflation期间打破GUT规范群，从而防止单极子产生。
• 施加Peccei-Quinn对称性，以动态生成$μ$-项并确保质子稳定性。
• 采用两步对称性破缺序列：inflation期间的GUT尺度破缺，随后在较低能标下发生PS对称性破缺。
• 采用具有规范单重态inflaton和共轭Higgs超多重态的杂交inflation机制，辐射修正稳定了inflation势谷。
• 在inflation后对真空流形应用Kibble机制，但由于早期GUT破缺，避免了拓扑缺陷的形成。
• 通过具有复Yukawa耦合的重右手中微子实现原初轻子生成，生成了观测到的重子不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖两步对称性破缺情景的前提下，解决超对称杂交inflation中的单极子问题？
• RQ2 如何在满足引力介子对再加热温度约束的前提下实现成功的再加热？
• RQ3 是否可以在SUSY GUT中自然生成$μ$-项而不需微调？
• RQ4 原初轻子生成是否能产生与太阳和大气中微子振荡数据一致的观测重子不对称性？
• RQ5 对右手中微子质量与混合角有何约束，以同时满足轻子生成和$SU(4)_c$对称性？

主要发现

• 该模型通过在超势能中引入非可重整项，成功避免了inflation期间GUT规范群的形成，从而防止了单极子的过度产生。
• 再加热温度被约束在$T_r \approx 10^{10}$ GeV，只要引力介子对光子的分支比降低，该结果与引力介子约束一致。
• 在$m_{\nu_\tau} \approx 8 \times 10^{-2}$ eV，$\sin^2 2\theta_{\mu\tau} \approx 0.9$，且$n_L/s \approx -1.8 \times 10^{-10}$的条件下存在轻子生成解，与SuperKamiokande数据一致。
• 第二重的右手中微子质量为$M_2 \approx 1.55 \times 10^{11}$ GeV，满足来自轻子生成约束的不等式。
• 该模型给出了可行的inflaton质量$m_{\text{infl}} \approx 4.1 \times 10^{13}$ GeV，且GUT尺度接近SUSY GUT尺度。
• 找到了满足$SU(4)_c$对称性的解，$m^{D}_2 \approx 0.8 - 2$ GeV 和 $m^{D}_3 \approx 110 - 120$ GeV，作为数量级关系成立。