[论文解读] U(1)_B-L: Neutrino Physics and Inflation

V. N. Şenoğuz, Qaisar Shafi|ArXiv.org|Dec 13, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文提出了一种超对称的 $U(1)_{B-L}$ 扩展 MSSM，通过一个在 $\sim10^{16}$ GeV 量级电弱对称性自发破缺的规范 $U(1)_{B-L}$ 对称性，统一了中微子质量生成、暴胀和轻子生成机制。 seesaw 机制解释了轻子中微子的质量，而由暴胀场 $S$ 驱动的暴胀产生标量谱指数 $n_s = 0.99 \pm 0.01$ 以及可忽略的张量-标量比，与宇宙微波背景辐射观测结果一致。

ABSTRACT

A gauged U(1)_B-L symmetry predicts three right handed handed neutrinos and its spontaneous breaking automatically yields the seesaw mechanism. In a supersymmetric setting this breaking can be nicely linked with inflation to yield deltaT/ T proportional to (M_B-L / M_P)^2, where M_B-L (M_P) denote the B-L breaking (Planck) scale. Thus M_B-L is estimated to be of order 10^16 GeV, and the heaviest right handed neutrino mass is less than or of order 10^14 GeV. A second right handed neutrino turns out to have a mass of order 10-10^2 T_r, where T_r (=0.97. The tensor to scalar ratio r is negligible, and dn_s/dlnk

研究动机与目标

• 在超对称的 $U(1)_{B-L}$ 扩展 MSSM 框架内，统一中微子质量生成、暴胀和轻子生成机制。
• 利用宇宙微波背景辐射各向异性 $\delta T/T$ 的暴胀约束，确定 $B-L$ 对称性破缺尺度 $M_{B-L}$。
• 通过 $U(1)_R$ 对称性解决 MSSM 中的 $\mu$-问题，并通过该对称性抑制五级维度质子衰变。
• 确保再加热温度 $T_r$ 与成功的轻子生成机制以及引力子约束相兼容。

提出的方法

• 通过一个 $U(1)_{B-L}$ 对称性下的单态超多重态 $S$ 和一对 $\Phi, \overline{\Phi}$ 实现超对称混合暴胀，其超势能为 $W = \kappa S(\Phi\overline{\Phi} - M^2)$。
• 利用 $U(1)_R$ R 对称性在可重整化层次上禁止 $\mu$-项，并在暴胀后通过 $\langle S \rangle$ 实现其动力学生成。
• 计算包含对 $\kappa$、$M$ 和 $S$ 依赖的对数项的一阶量子修正有效势。
• 从暴胀势能中推导标量谱指数 $n_s$ 和张量-标量比 $r$，并考虑 SUGRA 修正。
• 将再加热温度 $T_r$ 与暴胀子衰变宽度 $\Gamma_h \propto \lambda^2 m_\chi$ 关联，其中 $\lambda$ 来自 $\lambda S h^2$ 项。
• 将 $U(1)_R$ 的 $Z_2$ 子群用作物质宇称，以抑制五级维度质子衰变并稳定 LSP。

实验结果

研究问题

• RQ1 由宇宙微波背景辐射各向异性 $\delta T/T$ 约束的 $B-L$ 对称性破缺尺度 $M_{B-L}$ 是多少？
• RQ2 在具有动力学 $\mu$-项生成的超对称 $U(1)_{B-L}$ 模型中，如何解决 MSSM 的 $\mu$-问题？
• RQ3 $U(1)_R$ 对称性在实现暴胀、抑制质子衰变和稳定 LSP 中起到什么作用？
• RQ4 与轻子生成和引力子约束一致的再加热温度 $T_r$ 和暴胀子耦合常数 $\kappa$ 的可行范围是什么？
• RQ5 在混合暴胀与平滑混合暴胀中，标量谱指数 $n_s$ 和张量-标量比 $r$ 如何依赖于模型参数？

主要发现

• 该 $B-L$ 对称性破缺尺度被约束在 $M_{B-L} \sim 10^{16}$ GeV，与 seesaw 机制及宇宙微波背景辐射观测到的 $\delta T/T$ 一致。
• 在最简单的模型中，标量谱指数被预测为 $n_s = 0.99 \pm 0.01$，且 $r \ll 1$，$dn_s/d\ln k \lesssim 10^{-3}$。
• 在平滑混合暴胀中，$n_s \geq 0.97$，而张量-标量比仍可忽略不计。
• 再加热温度 $T_r$ 的下限为 $2 \times 10^7$ GeV（混合暴胀）至 $4 \times 10^9$ GeV（平滑暴胀），具体取决于模型细节和 $\lambda$ 耦合常数。
• 在超势能中引入 $\lambda S h^2$ 项可显著提高 $T_r$，在混合暴胀中 $T_r \gtrsim 4 \times 10^8$ GeV，在平滑混合暴胀中 $T_r \gtrsim 10^{12}$ GeV。
• 最重的右手中微子质量估计为 $\lesssim 10^{14}$ GeV，而第二个右手中微子的质量约为 $T_r$ 的 $10$ 至 $10^2$ 倍。