[论文解读] Supersymmetric $U(1)_{B-L}$ flat direction and NANOGrav 15 year data

Rinku Maji, Wan-Il Park|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

该论文提出一个与热膨胀相关、具有单极子和亚稳定宇宙字符串的 SUSY U(1)_{B-L} 平直方向情景，能够解释 NANOGrav 15 年 SGWB 信号，同时预测低高频截断，可被 LISA/DECIGO 测试。

ABSTRACT

We show that, when connected with monopoles, the flat $D$-flat direction breaking the local $U(1)_{B-L}$ symmetry as an extension of the minimal supersymmetric standard model can be responsible for the signal of a stochastic gravitational wave background recently reported by NANOGrav collaborations, while naturally satisfying constraints at high frequency band. Thanks to the flatness of the direction, a phase of thermal inflation arises naturally. The reheating temperature is quite low, and suppresses signals at frequencies higher than the characteristic frequency set by the reheating temperature. Notably, forthcoming spaced-based experiments such as LISA can probe the cutoff frequency, providing an indirect clue of the scale of soft SUSY-breaking mass parameter.

研究动机与目标

• 在 SUSY 扩展中证明一个破坏 U(1)_{B-L} 的平直方向作为随机引力波源的动机。
• 将平直方向动力学与热膨胀及低再加热温度联系起来，以抑制高频 GW 信号。
• 展示来自该设定的亚稳定宇宙字符串如何解释 NANOGrav 数据，同时满足高频约束。
• 强调通过未来任务观测到的 GW 谱弯可以对 SUSY 软质量尺度进行潜在间接探针。

提出的方法

• 构建具有 SU(3)_c×SU(2)_L×U(1)_R×U(1)_{B-L} 对称性的 SUSY 模型，以及沿 Φ_1 与 Φ_2 的 D-flat 方向参数化的 φ。
• 推导包含软 SUSY 破坏项与非重整化作用项的 D-flat 方向标量势 V。
• 分析由平直方向驱动的热膨胀，在 T_b 起、T_c 结束，并从平坦子衰变中计算再加热温度 T_d。
• 模型化通过单极子–反单极子对形成与湮灭的亚稳定字符串，估算从尖峰字符串爆发得到的引力波谱。
• 使用爆发方法在辐射期与物质期的环分布下计算 GW 谱，包括拉链效应和由 T_d 确定的高频截断。
• 对 NANOGrav 15 年数据进行贝叶斯分析以推断 φ_0 与 κ，并与 LV3 约束比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 SUSY 框架中，平直方向破坏 U(1)_{B-L} 是否能够产生与 NANOGrav 15 年数据一致的 SGWB？
• RQ2 在这种情景中 GW 信号的预测高频截断是多少，是否可以被未来探测器如 LISA 或 DECIGO 测试？
• RQ3 热膨胀及随后的物质支配期如何影响亚稳定字符串的 GW 谱？
• RQ4 可以从 GW 谱弯频率中间接推断出哪些 SUSY 软质量尺度信息？

主要发现

• 该模型在特定参数选择下能够解释 NANOGrav 15 年信号，同时与高频约束保持一致。
• GW 谱的高频截断由低重热温度 T_d 决定，使弯曲频率 f_* 落在所考虑参数集的 LISA 带。
• 平直势能字符串的拉链效应增强了 GW 信号，并使其与 GUT 规模对称破坏相容。
• 对 m_φ = 20 TeV 的贝叶斯拟合给出 68% 和 95% 置信区间：log10(φ_0/GeV) 分别在 [15.64,16.73] 与 [14.78,16.80]，sqrt(κ) 分别在 [7.81,8.09] 与 [7.80,8.30]。
• 预测的 GW 谱具有低频上升、平台期以及高频 f^{-1/3} 下落，弯曲频率 f_* 与 T_d 相关并可被未来探测器探测。