[論文レビュー] Inflation and Higgs Phenomenology in a Model Unifying the DFSZ Axion with the Majoron

Michael Matlis, Juhi Dutta+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 86被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、2HDM-標準模型-軸子-見せかけのスケール-ヒッグス・ポータルインフレーションフレームワーク「2hdSMASH」を提案する。このモデルは、DFSZ軸子とされるダークマター、メジャノンに類似したニュートリノ質量、およびヒッグス・ポータルインフレーションを統一的に扱う。成功したインフレーションが、摂動的ユニタリティや下からの有界性の条件を破らずに実現可能であることを示しており、非常に小さなシングレットスカラー自己結合項 λS ∼ 10⁻¹⁰ と、(v/vS)および(v/vS)²の範囲にあるポータル結合項を必要としている。これにより、複数のスカラー場方向にわたる有効な1場インフレーションが実現可能となり、コライダー実験でテスト可能なベンチマークが得られる。

ABSTRACT

The Two-Higgs-Doublet-Standard Model-Axion-Seesaw-Higgs-Portal inflation (2hdSMASH) model consisting of two Higgs doublets, a Standard Model (SM) singlet complex scalar and three SM singlet right-handed neutrinos can embed axion dark matter, neutrino masses and address inflation. We report on an investigation of the inflationary aspects of 2hdSMASH and its subsequent impact on low energy phenomenology. In particular, we identify inflationary directions for which the parameter values required for successful inflation do not violate perturbative unitarity and boundedness-from-below conditions. By analyzing the renormalization-group flow of the parameters we identify the necessary and sufficient constraints for running all parameters perturbatively and maintaining stability from the electroweak to the PLANCK scale. We observe that stringent constraints arise on the singlet scalar self coupling from inflationary constraints, i.e, $λ_S\sim 10^{-10}$. Further, we find that all theoretical and experimental constraints are satisfied if the portal couplings are typically in the range $(\frac{v}{v_S})$ and $(\frac{v}{v_S})^2$ (where $v, v_S$ refer to the electroweak and singlet scalar vacuum expectation value respectively). As a consequence, inflation is realized in a variety of field space directions in the effective single field regime. Finally we provide testable benchmark scenarios at colliders.

研究の動機と目的

• 2hdSMASHモデルのインフレーションの一貫性を調査すること。このモデルは、軸子DM、ニュートリノ質量、およびインフレーションを統一的に扱うフレームワークである。
• インフレーションパラメータが摂動的ユニタリティや下からの有界性といった理論的制約を満たしていることを保証すること。
• インフレーションのダイナミクスと低エネルギーにおけるヒッグス系の素粒子物理学、およびコライダー実験でのテスト可能性を結びつけること。
• インフレーション、安定性、およびすべての実験的制約が同時に満たされるパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• 標準模型に2つのヒッグスダブルレット、複素スカラーのシングレット（PQスカラー）、および3つの右手型メジャノンニュートリノを追加し、DFSZ軸子と見せかけのスケール機構を埋め込む。
• インフレーションはシングレットスカラーへのヒッグス・ポータル結合によって実現され、高次元のスケール（vS ≫ v）におけるヒerarchical limit での有効1場理論の解析が行われる。
• 電弱スケールからPLANCKスケールまでの摂動的ランゲージ（RG）フロー解析により、摂動的ランゲージと安定性を保証する。
• マッチングスケール ms におけるしきい値補正を計算し、ソフトに破れたU(1)対称性を持つ低エネルギー有効ν2HDM理論を導出する。
• コールマン＝ワインバーグのポテンシャルを用いて量子補正を計算し、エネルギースケール全域における真空安定性を評価する。
• すべての理論的、宇宙論的、コライダー的制約を満たすベンチマーク点を構築し、LHCおよび将来のコライダー実験における予測を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2hdSMASHモデルにおけるインフレーションは、摂動的ユニタリティや下からの有界性の条件を破らずに実現可能か？
• RQ2 インフレーションのダイナミクスから、シングレットスカラー自己結合項 λS に課される制約は何か？
• RQ3 ポータル結合項（λ1S, λ2S, λ12S）は、有効1場インフレーション領域にどのように影響を与えるか？
• RQ4 インフレーション、真空安定性、およびコライダー制約を同時に満たすパラメータ領域は何か？
• RQ5 将来のコライダー実験でテスト可能なベンチマークシナリオを構築できるか？

主な発見

• インフレーション制約を満たしつつ摂動的ユニタリティと下からの有界性を保つため、シングレットスカラー自己結合項は極めて小さく、λS ∼ 10⁻¹⁰ である必要がある。
• ポータル結合項は(v/vS)および(v/vS)²の範囲に制限され、複数のスカラー場方向にわたる有効1場インフレーションを可能にする。
• すべての理論的制約を満たした場合、電弱スケールからPLANCKスケールまで摂動的ランゲージと真空安定性を維持する。
• 有効な低エネルギー理論は、ソフトに破れたU(1)対称性を持つ2HDMであり、スケール ms におけるマッチングにより導出される。
• コールマン＝ワインバーグのポテンシャルにより、エネルギースケール全域における真空安定性が確認され、すべての関連スカラー、フェルミオン、ゲージボソンの量子補正が計算された。
• テスト可能なベンチマークシナリオが提供され、LHCおよび将来の実験におけるヒッグス系の素粒子物理学的性質とコライダーのシグネチャに対して具体的な予測がなされた。