[论文解读] Reheating and Leptogenesis after Pati-Salam F-term Subcritical Hybrid Inflation

B. Charles Bryant, Zijie Poh+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2016

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 20被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种带有F-term亚临界混合暴胀的Pati-Salam GUT模型，其中通过玻色子和费米子的广义参数共振实现即时预加热，且重子生成源于三个右手中微子（s）neutrino的CP破坏性衰变。该模型成功拟合了低能数据、LHC结果、暴胀观测结果，并在无需微调的情况下生成了正确的重子数密度比，其原因在于中微子Yukawa矩阵中的相位依赖性衰变不对称性。

ABSTRACT

In this paper, we extend the analysis of a Pati-Salam subcritical hybrid $F$-term inflation model, proposed by two of us, by studying the reheating and the baryogenesis (via leptogenesis) of the model. This SUSY GUT model is able to fit low energy electroweak precision data, LHC data, $b$-physics data, in addition to inflation observables such as the tensor-to-scalar ratio and the scalar spectral index. The reheating mechanism of this model is instant preheating due to the bosonic and fermionic broad parametric resonance, while the baryon-to-entropy ratio is obtained from the CP asymmetric right-handed (s)neutrinos decay. The phases in the neutrino Yukawa matrices are fixed by fitting to the low energy observables. With these phases, the heaviest right-handed (s)neutrinos decay to produce a lepton asymmetry with the correct sign, while the two lighter right-handed (s)neutrinos decay to produce the wrong sign. Consequently, the baryogenesis analysis is necessarily performed by including all three families of the right-handed (s)neutrinos.

研究动机与目标

• 扩展先前提出的Pati-Salam F-term亚临界混合暴胀模型，分析其预加热与重子生成机制。
• 研究通过广义参数共振实现的即时预加热如何在暴胀后生成热浴。
• 计算来自三个右手中( s)中微子的CP破坏性衰变所产生的轻子不对称性，包含所有三代粒子，因衰变符号存在冲突。
• 通过拟合低能可观测量、LHC数据以及暴胀参数（如标量谱指数和张量标量比）来确保模型的可行性。
• 证明重子数密度比可自然实现而无需微调，仅受低能和暴胀数据约束。

提出的方法

• 该模型在Pati-Salam规范群下引入了$Χ=(1,1,1,2)$暴胀超多重态和$S^c=(\bar{4},1,\bar{2},0)$、$\bar{S}^c=(4,1,2,0)$的瀑布超多重态，并通过$\mathbb{Z}_4^R$对称性增强。
• 预加热由暴胀子振荡引发的非微扰粒子产生驱动，通过希格斯场与希格斯ino场的广义参数共振实现。
• 希格斯场与希格斯ino场以时间依赖的耦合$\propto \phi(t) \sin(m_\phi t)$产生，导致量子模式的共振放大。
• 当产生的希格斯粒子衰变为右手中微子时，生成轻子不对称性，其衰变速率依赖于暴胀子场振幅和中微子质量。
• 右手中微子的衰变速率通过从振荡暴胀子动力学推导出的时间平均表达式计算，其阈值由$M_{R_i}$和$\alpha\phi_{\text{max}}$决定。
• 系统从暴胀结束开始模拟至最重右手中微子衰变结束，参数由低能数据和暴胀可观测量固定。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过广义参数共振实现的即时预加热如何影响Pati-Salam F-term混合暴胀模型中的预加热动力学？
• RQ2 在最重和两个较轻的右手中微子产生相反CP不对称性的情况下，三个右手中微子家族在生成轻子不对称性中起何作用？
• RQ3 该模型能否同时拟合低能精确数据、LHC约束、暴胀可观测量（n_s, r）并生成正确的重子数密度比？
• RQ4 中微子Yukawa矩阵中的相位如何影响最终轻子不对称性的符号与大小？
• RQ5 在重子数密度比并非直接约束的条件下，该模型对暴胀子-希格斯耦合$\alpha$和重加热温度施加了何种限制？

主要发现

• 预加热通过广义参数共振驱动，涉及玻色子和费米子模式，粒子产生以离散脉冲形式发生在暴胀子振荡期间。
• 暴胀子以时间依赖的速率非微扰地衰变为希格斯粒子和希格斯ino，其速率与$\phi_{\text{max}} \sin(m_\phi t)$成正比，在$m_\phi t \sim \pi/2$时达到峰值。
• 当$\alpha\phi > M_{R_i}$时，预加热期间产生的希格斯粒子才会衰变为右手中微子，其衰变速率与$\phi_{\text{max}} \sqrt{1 - M_{R_i}^2/\alpha^2\phi_{\text{max}}^2}$成正比。
• 最重的右手中微子产生具有正确符号的轻子不对称性，而两个较轻的中微子产生相反符号，因此必须进行完整的三家族分析。
• 最终的重子数密度比由所有三个( s)中微子衰变产生的净轻子不对称性决定，暴胀子-希格斯耦合$\alpha$作为自由参数可调节不对称性。
• 该模型与所有低能数据、LHC结果、暴胀可观测量（n_s ≈ 0.965，r ≈ 0.01）一致，并通过重gravitino（$m_{3/2} \gtrsim 40$ TeV）和GUT尺度模场避免了宇宙学问题。