[論文レビュー] Critical Higgs Inflation and Second Order Gravitational Wave Signatures

Manuel Drees, Yong Xu|arXiv (Cornell University)|May 31, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、Higgs ボソンが臨界Higgsインフレーションにおけるインフレートンとして機能しうることを提案している。この状況では、自己結合定数が約10^17–18 GeVでゼロに近づき、非最小結合がO(10)程度で十分なスローロールインフレーションが可能となる。スローロール条件の破れはオーバーシュートを引き起こし、エンタロピー摂動を励起することでスカラー曲率摂動を強化し、DECIGO/BBO による検出可能な2次元重力波を励起する。

ABSTRACT

The self coupling $\lambda$ of the Higgs boson in the Standard Model may show critical behavior, i.e. the Higgs potential may have a point at an energy scale $\sim 10^{17-18}$ GeV where both the first and second derivatives (almost) vanish. In this case the Higgs boson can serve as inflaton even if its nonminimal coupling to the curvature scalar is only ${\cal O}(10)$, thereby alleviating concerns about the perturbative unitarity of the theory. We find that just before the Higgs as inflaton enters the flat region of the potential the usual slow--roll conditions are violated. This leads to overshooting behavior, which in turn strongly enhances scalar curvature perturbations because of the excitation of entropic (non--adiabatic) perturbations. For appropriate choice of the free parameters these large perturbations occur at length scales relevant for the formation of primordial black holes. Even if these perturbations are not quite large enough to trigger copious black hole formation, they source second order tensor perturbations, i.e. primordial gravitational waves; the corresponding energy density can be detected by the proposed space-based gravitational wave detectors DECIGO and BBO.

研究の動機と目的

• 臨界HiggsインフレーションにおけるHiggsボソンが、最小限の非最小結合でインフレートンとして機能できるかを検討すること。
• Higgs自己結合定数がゼロに近づく状況で、O(10)の非最小結合で十分であることを示すことにより、摂動的ユニタリティの懸念を解消すること。
• 平坦なポテンシャル領域への移行前のオーバーシュート段階におけるスカラー摂動のダイナミクスを調査すること。
• 強化された曲率摂動から生じる2次元重力波の生成を評価すること。
• DECIGO や BBO といった将来の宇宙望遠鏡によるこれらの重力波の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 10^17–18 GeV付近で自己結合定数の1階微分と2階微分が両方ゼロとなる臨界点を持つHiggsポテンシャルをモデル化する。
• スローロール近似をHiggsインフレーションに適用し、場の時間的変化が速いためスローロール条件が破れる領域を特定する。
• 有効場理論的手法を用いて、オーバーシュート段階における曲率摂動とエンタロピー摂動のダイナミクスを分析する。
• 非断熱的（エンタロピー的）モード励起による強化を強調して、スカラー曲率摂動のパワースペクトルを計算する。
• 非線形摂動論を用いて、強化されたスカラー摂動が駆動する2次元重力波のエネルギー密度を導出する。
• DECIGO および BBO の宇宙望遠鏡の感度曲線を用いて、得られた重力波信号の検出可能性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Higgsボソンは、非最小結合がO(10)程度で、摂動的ユニタリティの問題を回避しながら、臨界Higgs状況下でインフレートンとして機能できるか？
• RQ2 オーバーシュート段階におけるスローロール条件の破れは、曲率摂動の生成にどのように影響するか？
• RQ3 平坦なポテンシャル領域への移行段階で、エンタロピー的（非断熱的）摂動はどの程度励起されるか？
• RQ4 強化されたスカラー摂動から生じる2次元重力波の振幅と周波数スペクトルは何か？
• RQ5 得られた重力波信号は、DECIGO や BBO といった将来の宇宙望遠鏡で検出可能か？

主な発見

• Higgsボソンは、約10^17–18 GeVで自己結合定数が臨界的挙動を示すため、非最小結合がO(10)であってもインフレートンとして機能可能である。
• スローロール条件の破れはオーバーシュートを引き起こし、エンタロピーモードの励起によりスカラー曲率摂動が強く強化される。
• 強化された曲率摂動は、原始的ブラックホール形成に相当するスケールで発生するが、必ずしも多数の形成を引き起こすほどではない。
• これらの強化された摂動は、DECIGO や BBO で検出可能なエネルギー密度を持つ2次元重力波を駆動する。
• 重力波信号は主に強化されたスカラーモードの非線形結合によって駆動され、特徴的な2次元シグナチャーを示す。
• 信号の検出可能性は臨界Higgsポテンシャルの正確なパラメータに依存するが、モデルは摂動的ユニタリティの境界内に保たれる。