[論文レビュー] Imprints of the Standard Model in the Sky: Gravitational Waves from the decay of the Higgs after inflation

Daniel G. Figueroa|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、インフレーション後に標準模型モデルのヒッグス bosonが摂動的でない崩壊を経て重力波（GWs）が生成されることを提案している。その結果生じるGW背景には、粒子の結合のスペクトル的インプリントが現れ、特にトップクォークのように強く結合する種が信号を支配し、現在の加速器では到達できない高エネルギー物理学の探査手段を提供する。

ABSTRACT

The existence of the Standard Model (SM) Higgs implies that a gravitational wave (GW) background is generated by the decay products of the Higgs, soon after the end of inflation. Theoretically, all Yukawa and $SU(2)_L$ gauge couplings of the SM are imprinted as features in the GW spectrum. In practice, the signal from the most strongly coupled species dominates, rendering inaccesible the information on the other species. If detected, this background could be used for measuring properties of high-energy particle physics, including beyond the SM. To achieve this goal, new high frequency GW detection technology is required, beyond that of currently planned detectors.

研究の動機と目的

• インフレーション後に標準模型モデルのヒッグスが摂動的でない崩壊を経て重力波背景が生成されるかを調査すること。
• 標準模型粒子のユカワ結合およびSU(2)Lゲージ結合がGWスペクトルにどのようにインプリントを残すかを特定すること。
• これらのGW特徴の検出可能性と、高エネルギー素粒子物理学の探査への潜在的貢献を評価すること。
• 特にトップクォークの強い結合ゆえに支配的となるGW信号の主要寄与要因を同定すること。
• この背景を観測するための新しい高周波数重力波検出技術の必要性を強調すること。

提案手法

• インフレーション後のヒッグスを、有効ポテンシャルの最小値まわりで振動する軽いスペンサー場としてモデル化する。
• ヒッグス崩壊生成物のエネルギー運動量テンソルの横方向・トレースレス成分を、重力波の源として計算する。
• 線形化重力理論を用いて、パラメトリック共鳴による摂動的でない粒子生成を考慮したGWパワースペクトルを導出する。
• 有効結合定数とヒッグス崩壊幅を用いてGW振幅を推定し、フェルミオンおよびゲージボソン寄与に焦点を当てる。
• スケーリングの議論と数値的推定を適用して、GW背景のスペクトル形状とピーク周波数を決定する。
• トップクォークの大きなユカワ結合ゆえに支配的となることの評価を行い、SU(2)Lゲージボソンからの二次的寄与を含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型ヒッグスのインフレーション後の崩壊が検出可能な重力波背景を生成できるか？
• RQ2 標準模型粒子のユカワ結合およびSU(2)Lゲージ結合が重力波スペクトルにどのようにインプリントを残すか？
• RQ3 どの粒子種が重力波信号を支配するか？その支配的要因は何か？
• RQ4 このGW背景が、現在の衝突型加速器では到達できない高エネルギー物理学の探査に与える意味は何か？
• RQ5 この高周波数重力波背景を検出するために必要な技術的進歩は何か？

主な発見

• インフレーション後に標準模型ヒッグスが摂動的でない崩壊を経て、重力波背景が生成される。
• すべての標準模型結合（ユカワ結合およびSU(2)Lゲージ結合）がGWスペクトルにインプリントを残すが、トップクォークがその大きなユカワ結合ゆえに支配的である。
• GWバックグラウンドのピーク振幅は $ h^2\Omega_{\rm GW}^{\rm (p)} \sim 10^{-14} $ と推定され、トップクォークのユカワ結合に依存する。
• スペクトルピークは周波数 $ f \sim 10^3 $ Hz に集中しており、これはトップクォーク生成のエネルギースケールに対応する。
• SU(2)Lゲージボソンは信号を強化する可能性があるが、同程度の周波数スケールのため、別個のピークとして分解できない。
• トップクォークの崩壊幅はGW生成に影響しないほど小さいため、信号は主に摂動的でない粒子生成によって決定されることが確認された。