[論文レビュー] Non-Gaussianity from $X, Y$ gauge bosons in Cosmological Collider Physics

Nobuhito Maru, Akira Okawa|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 65被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、インフレーション期における大統一理論（GUT）の主要な構成要素である $X,Y$ ゲージボソンが引き起こす原始的曲率パワー スペクトルの非ガウス性を、宇宙論的コライダー物理学を用いて調査する。インフレーション場の三点関数に対する $X,Y$ ゲージボソンを含む量子修正の1ループ計算により、質量項の相互作用から生じる $(m_X/H)^4$ の強調要因を特定した。この要因は、極めて高いエネルギースケールであるにもかかわらず、CMB観測によるGUTスケール物理の検出可能性を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Heavy fields of Hubble scale order present during inflation contribute to the non-Gaussian signature for the three-point function of the inflaton. Taking into account that Hubble scale is around the scale of grand unified theory (GUT), this opens a possibility that the GUT scale signatures, which are very hard to be discovered at collider, might be detectable by using information from the precise observations of cosmic microwave background. We discuss a detactability of the $X, Y$ gauge boson present in any GUT in a framework of cosmological collider physics. Calculating one-loop contributions of $X, Y$ gauge bosons to the inflaton three-point functions, we find a remarkable result that one-loop diagram with interactions originated from the mass terms of $X, Y$ gauge bosons provides an enhancement factor expressed by the ratio between the $X, Y$ gauge boson mass and Hubble scale as $(m_X/H)^4$. In an estimation of the non-Gaussianity, this factor is crucial and its impact on the detactability of $X, Y$ gauge bosons is discussed.

研究の動機と目的

• 地上の加速器では観測できないが、大統一理論（GUT）によって予測される $X,Y$ ゲージボソンが、宇宙論的観測によって検出可能かどうかを調査すること。
• 宇宙論的コライダー物理学の文脈において、インフレーション場の三つ目の関数に対する $X,Y$ ゲージボソンからの1ループ量子修正を計算すること。
• $X,Y$ ゲージボソンの質量項相互作用が非ガウス性に与える影響を評価し、CMBデータにおける観測可能性を検討すること。
• ゲージボソンの質量項から生じる $(m_X/H)^4$ の強調要因が、高精度CMB測定によるGUTスケールの痕跡の検出可能性をどのように向上させるかを評価すること。

提案手法

• 平坦なフレネル＝ロバートソン＝ウォーカー（FLRW）計量における in-in 形式を用いて、インフレーションの有効場理論フレームワークを構築し、インフレーション場、重力子、および $X,Y$ ゲージボソンを含める。
• 重力子との $X,Y$ ゲージボソンのプロパゲーターおよび相互作用頂点を導出し、インフレーション場および曲率揺らぎへの結合を媒介する質量項相互作用に焦点を当てる。
• $X,Y$ ゲージボソンを含む1ループファインマン図を計算し、重力子の三つ目の関数への寄与を評価する。その後、ゲージ不変関係を用いて、この結果をインフレーション場の三つ目の関数に変換する。
• ハンケル関数の近似および偏光和の近似を、運動量積分に適用し、$H^2 \ll m_X^2$ を仮定する。また、発散を規制するため、外部運動量 $p_{1,2,3}$ よりもはるかに大きな紫外カットオフ $\Lambda \gg p_{1,2,3}$ を導入する。
• ループ振幅の実部を評価し、質量項相互作用に起因する $(m_X/H)^4$ のスケーリング要因を抽出することで、非ガウス性信号を抽出する。
• 標準的な宇宙論的摂動理論の技術を用いて、重力子の三つ目の関数の結果をインフレーション場の三つ目の関数に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大統一理論から予測される $X,Y$ ゲージボソンが、量子ループ効果を通じてインフレーション場の原始的三つ目の関数に検出可能な痕跡を残す可能性はあるか？
• RQ2 $X,Y$ ゲージボソンの質量項は、インフレーション期における非ガウス性信号の強調にどのような役割を果たすか？
• RQ3 質量項相互作用に起因する $(m_X/H)^4$ スケーリング要因は、CMBデータにおけるGUTスケール物理の検出可能性を顕著に向上させるか？
• RQ4 宇宙論的コライダー物理学の文脈において、$X,Y$ ゲージボソンからの1ループ寄与は、木レベルまたは他の量子修正と比較してどう異なるか？
• RQ5 このような信号が存在する場合、CMB観測は $X,Y$ ゲージボソンの質量スケールをどの程度まで制限できるか？

主な発見

• 質量項相互作用を伴う $X,Y$ ゲージボソンを含む1ループ図は、インフレーション場の三つ目の関数に非ガウス性信号を寄与させ、その主要な強調要因が $(m_X/H)^4$ である。
• この $(m_X/H)^4$ 要因は、$X,Y$ ゲージボソンの質量項から導かれる相互作用頂点に起因しており、木レベルまたは最小結合図では存在しない。
• この強調要因は検出可能性にとって極めて重要であり、$m_X \sim H$ であっても信号を増幅させ、GUTスケール物理がCMB高精度データから観測可能になる可能性を高める。
• 計算により、非ガウス性信号が $J \times 2^4 \times 30 \times (m_X/H)^4$ に比例することが確認され、ループ図における質量項相互作用の支配的役割が裏付けられる。
• 偏光和の近似 $\sum_\lambda \varepsilon_i \varepsilon_j \simeq \delta_{ij}/(H\tau)^2$ は、$H^2 \ll m_X^2$ の仮定のもとで有効であり、振幅における一次近似項の使用を正当化する。
• 外部運動量 $p_{1,2,3}$ よりもはるかに大きな紫外カットオフ $\Lambda$ を用いることで、運動量積分が規制され、有効場理論の文脈において物理的に意味があり有限な結果が得られる。