[論文レビュー] Pseudo periodic Higgs inflation

István Gábor Márián, Nicolò Defenu|arXiv (Cornell University)|May 29, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、調整可能な質量、振幅（u）、周波数（β）を備えたフーリエ変調ポテンシャルにより、非 degenerate な無限個の極小値を有する擬周期的ヒッグスインフレーションモデル—質量付き自然インフレーション（MNI）—を提案する。PLANCK データを用いて、大β領域においてパラメータを一意に固定し、宇宙論的スケールのパラメータが電弱スケール物理学に影響しないことを示し、正しいヒッグス質量のオーダーを達成する低エネルギー完成が可能であることを明らかにする。

ABSTRACT

Inflationary cosmology represents a well-studied framework to describe the expansion of space in the early universe, as it explains the origin of the large-scale structure of the cosmos and the isotropy of the cosmic microwave background radiation. The recent detection of the Higgs boson renewed research activities based on the assumption that the inflaton could be identified with the Higgs field. At the same time, the question whether the inflationary potential can be be extended to the electroweak scale and whether it should be necessarily chosen ad hoc in order to be physically acceptable are at the center of an intense debate. Here, we perform the slow-roll analysis of the so-called Massive Natural Inflation (MNI) model which has three adjustable parameters, the explicit mass term, a Fourier amplitude u, and a frequency parameter $\beta$, in addition to a constant term of the potential. This theory has the advantage to present a structure of infinite non-degenerate minima and is amenable to an easy integration of high-energy modes. We show that, using PLANCK data, one can fix, in the large $\beta$-region, the parameters of the model in a unique way. We also demonstrate that the value for the parameters chosen at the cosmological scale does not influence the results at the electroweak scale. We argue that other models can have similar properties both at cosmological and electroweak scales, but with the MNI model one can complete the theory towards low energies and easily perform the integration of modes up to the electroweak scale, producing the correct order-of-magnitude for the Higgs mass.

研究の動機と目的

• ヒッグス場がインフレーション子として機能しつつ、宇宙論的および電弱スケール物理学と両立可能かどうかを検討すること。
• インフレーションポテンシャルが恣意的である必要があるかどうかの議論に応じ、物理的に妥当で構造的なポテンシャルを提案すること。
• MNI モデルが、電弱スケールまでの一貫した高エネルギーモードの統合を可能にすることを示すこと。
• MNI モデルにおける宇宙論的スケールのパラメータ選択が、電弱スケールでの予測に影響しないこと。
• モデルの低エネルギー完成により、正しいヒッグス質量のオーダーを予測すること。

提案手法

• 定数項、明示的質量項、振幅 u と周波数 β を持つフーリエ変調項を含むポテンシャルを構築し、無限個の非 degenerate な極小値を生成する。
• スローロール近似を適用してインフレーションダイナミクスを分析し、ポテンシャルの形状からインフレーションの条件を導出する。
• PLANCK 2018 データを用いて、大β領域における3つの調整可能なパラメータ（質量、u、β）を制約する。
• 電弱スケールまでの一貫した高エネルギーモードの統合を実行し、エネルギースケール間の一貫性を確保する。
• モデルから得られるヒッグス質量予測を観測値と比較し、オーダーの一致を確認する。
• 解析的手法を用いて、電弱スケール物理学が宇宙論的スケールのパラメータ選択に依存しないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的極小値を有する擬周期的ヒッグスポテンシャルは、妥当なスローロールインフレーションを支えることができるか？
• RQ2 大β極限において、PLANCK データを用いてそのモデルのパラメータを一意に固定できるか？
• RQ3 MNI モデルにおける宇宙論的スケールのパラメータ選択が、電弱スケールでの予測に影響を与えるか？
• RQ4 MNI モデルは、低エネルギー完成の後、観測値と整合するヒッグス質量を生成できるか？
• RQ5 MNI モデルは、電弱スケールまでの一貫した高エネルギーモードの統合を可能にしつつ、整合性を保てるか？

主な発見

• MNI モデルは、大β領域において PLANCK データを用いて、3つの調整可能なパラメータ（質量、振幅 u、周波数 β）を一意に固定する。
• モデルの宇宙論的スケールパラメータは、電弱スケールでの結果に影響しないことから、スケール分離が保証される。
• 無限個の非 degenerate な極小値を有するポテンシャル構造により、自然かつ解析的に取り扱いやすいインフレーションフレームワークが実現される。
• 電弱スケールまでの一貫した高エネルギーモードの統合が、MNI モデル内で実現可能かつ一貫している。
• 低エネルギー完成後のモデルは、正しいオーダーのヒッグス質量予測を達成する。
• 他のモデルも類似の性質を有する可能性があるが、MNI モデルは完全で一貫した低エネルギー拡張を可能にする点で特異的である。