[論文レビュー] New developments on embedding inflation in gauge theory and particle physics

Anupam Mazumdar|ArXiv.org|Jul 23, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 84被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、最小超対称標準模型（MSSM）におけるインフレーションが、スカラー場の平坦な方向から自然に生じうることを提案している。インフレートンはMSSMヒッグス場のゲージ不変な組み合わせとして与えられる。モデルは、Hubbleに起因する補正によって偽真空を安定化させることで、成功したインフレーションを達成し、滑らかな脱出を可能にするとともに、CMBの摂動、熱平衡状態の標準模型（SM）プラズマ、バリオゲネシス、および寒冷暗黒物質を同時に生成する。これは、MSSMのゲージ系における統一的で検証可能なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

In this brief review we will discuss how a well motivated particle theory beyond the eletroweak Standard Model provides ingredients and conditions for a successful inflation. We will mainly focus on a low energy supersymmetric Standard Model which provides plenty of scalars. In particular, these scalars span a multidimensional moduli space of {\it gauge invariant} operators which carry the Standard Model charges. The inflationary predictions which matches the current observations are robust due to the fact that inflation occurs within our own gauge sector where the couplings are well known. We further argue that based on our current understandings if there exists a {\it string landscape} of multiple vacua, then it is very natural that the last phase of inflation would be driven by one of the many supersymmetric Standard Model modulii. Only such a graceful exit from inflation would provide hot thermal Standard Model baryons, cold dark matter, conditions for baryogenesis and foremost the seed density perturbations for the cosmic microwave background radiation in just {\it one package}. Furthermore we will also discuss how some of the ingredients of inflation can be tested already by the LHC.

研究の動機と目的

• インフレートンの起源という根本的問題を解決し、インフレーションをwell-motivatedなMSSMゲージ系に埋め込むことで、恣意的なゲージシングレット場を避けること。
• インフレーション後の再熱プロセスを統一し、標準模型の熱平衡化、バリオゲネシス、および寒冷暗黒物質の生成を1つのメカニズムで実現すること。
• インフレーションとその結果が既知の素粒子物理学に結びついた検証可能なフレームワークを提供し、LHCによるインフレーションダイナミクスの探査を可能にすること。
• ストリングランドスケープモデルの限界を克服し、MSSMのモジュライがHubbleに起因する補正によって自然にインフレーションを駆動できることを示すこと。
• インフレートンがゲージ不変なMSSMスカラー場であり、既知の結合定数を持つ場合に、成功したインフレーションと滑らかな脱出が堅牢に実現されることを示すこと。

提案手法

• 標準模型スカラーのゲージ不変な組み合わせとして、MSSMヒッグス系における平坦な方向をインフレートンの候補として使用する。
• スカラー場のポテンシャルにHubbleに起因する補正を適用し、有効ポテンシャルを変更することで、インフレートン場が時間に依存する偽最小値を追跡するようにする。
• 有効質量およびポテンシャルの曲率（V''(φ_min)）がHubble定数より大きい条件を導出し、スローロールインフレーションを保証する。
• 偽真空エネルギー密度が低下するにつれて、インフレートン場は断熱的に真の最小値へと移行し、滑らかな脱出を引き起こすことを示す。
• 再熱がMSSMの平坦方向のコherent振動によって起こることを示し、SM量子と一致する。Big Bang核合成制約を満たす。
• H_false > H_MSSM ~ 1 GeV という条件を用いることで、場が必要なインフレーション領域に到達することを保証し、従来のH_false > 10^9 GeVを要請する制約を緩和する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 恣意的なゲージシングレット場を導入せずに、MSSMゲージ系にインフレーションを自然に埋め込むことは可能か？
• RQ2 インフレートンの結合定数と相互作用は、既知の素粒子物理学の対称性および再帰的可解性によってどのように制約されるか？
• RQ3 インフレーションからの滑らかな脱出を保証するメカニズムは何か？ そのメカニズムは、同時に熱平衡状態のSMプラズマ、バリオン、および寒冷暗黒物質を生成するか？
• RQ4 Hubbleに起因する補正は、動的真空中でインフレートンポテンシャルを安定化させ、スローロール条件を満たすようにするのか？
• RQ5 LHCにおけるMSSM平坦方向ダイナミクスのシグネチャを通じて、提案されたインフレーションメカニズムを実験的に探査できるか？

主な発見

• インフレーションは、ゲージ不変であり、標準模型の量子数を持つMSSMヒッグス場の平坦な方向を介して、MSSMゲージ系内で自然に実現可能である。
• Hubbleに起因する補正により有効ポテンシャルが変更され、インフレーション中にインフレートン場が時間に依存する偽最小値を追跡するようになる。
• H_false > H_MSSM ~ 1 GeV という条件により、インフレートンが必要な場の範囲に到達することが保証され、従来の制約が著しく緩和される。
• 偽最小値におけるポテンシャルの曲率、V''(φ_min) ~ 2(n-2)√|c| H_false m_φ は、インフレーション中においてもHubble定数より大きいまま維持され、スローロールダイナミクスが保証される。
• H_false が ~H_MSSM / (2(n-2)m_φ) 未満に低下すると、インフレートン場は真の最小値へと滑らかに転がり始め、再熱とSM粒子の生成を引き起こす。
• 再熱プロセスは自然にSM自由度の熱的バーストを生成し、Big Bang核合成制約を満たすとともに、1つの統一フレームワーク内でバリオゲネシスと寒冷暗黒物質生成を可能にする。