[論文レビュー] Simple brane-world inflationary models in light of BICEP2

Nobuchika Okada, Satomi Okada|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 46被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、BICEP2のBモード検出を踏まえて、単純なブレーン・ワールドインフレーションモデルを検討し、5次元プランク質量$M_5$がテンソル対スカラー比$r$を増幅させることを示している。これにより、通常の宇宙論では小さな$r$を予測するモデルが、$r = 0.2^{+0.07}_{-0.05}$を示すBICEP2の結果と整合する。$M_5 \sim 10^6$ GeVの下で、$\/mathcal{O}(100)$ GeVのインフレートン質量が一貫性のある予測をもたらし、ヒッグスへの摂動的結合により再結合が可能となり、ダークマターの統一も可能である。

ABSTRACT

Motivated by the recent CMB $B$-mode observation announced by the BICEP2 collaboration, we study simple inflationary models in the Randall-Sundrum brane-world cosmology. Brane-world cosmological effects alter the inflationary predictions of the spectral index ($n_s$) and the tensor-to-scalar ratio ($r$) from those obtained in the standard cosmology. In particular, the tensor-to-scalar ratio is enhanced in the presence of the 5th dimension, and simple inflationary models which predict small $r$ values in the standard cosmology can yield $r$ values being compatible with the BICEP2 result, $r=0.2^{+0.07}_{-0.05}$. Confirmation of the BICEP2 result and more precise measurements of $n_s$ and $r$ in the near future allow us to constrain the 5-dimensional Planck mass ($M_5$) of the brane-world scenario. We also discuss the post inflationary scenario, namely, reheating of the universe through inflaton decay to the Standard Model particles. When we require the renormalizability of the inflationary models, the inflaton only couples with the Higgs doublet among the Standard Model fields, through which reheating process occurs. If $M_5$ is as low as $10^6$ GeV, the mass of inflaton becomes of ${\cal O}$(100 GeV), providing the inflationary predictions being consistent with the BICEP2 and Planck results. Such a light inflaton has some impacts on phenomenology at the electroweak scale through the coupling with the Higgs doublet.

研究の動機と目的

• 標準的宇宙論において小さな$r$を予測するインフレーションモデルと、$r = 0.2^{+0.07}_{-0.05}$を観測したBICEP2の結果を両立させること。
• ランダム＝サンズIIモデルを用いたブレーン・ワールド宇宙論が、非標準的なフレリデマン方程式を通じて、$n_s$および$r$のインフレーション予測をどのように修正するかを調査すること。
• BICEP2とプランクの間の$ r $の不整合を踏まえて、将来の$n_s$および$r$の高精度測定を用いて、5次元プランク質量$M_5$を制約すること。
• インフレーション後の再結合メカニズムを検討し、ヒッグスポータル結合を通じてインフレートンが標準模型粒子に崩壊するプロセスに注目すること。
• 電弱スケールに位置する軽いインフレートン（$\mathcal{O}(100)$ GeV）の物性的意味を検討し、ヒッグスのブランチ比やダークマターの統一を含む観測可能な現象を明らかにすること。

提案手法

• ランダム＝サンズのブレーン・ワールドフレームワーク内において、教科書的インフレーションモデル（二次、四次、ヒッグス、コールドマン＝ワインバーグポテンシャル）を分析する。
• RS IIモデルにおける修正されたフレリデマン方程式を用いて、$M_5$を自由パラメータとして、インフレーション観測量$n_s$および$r$を計算する。
• インフレートン質量と$M_5$の関係$m \simeq 10^{-4} M_5$を導入し、BICEP2およびプランクデータと両立するようにする。
• ローレンツ不変性を満たすために、インフレートンの結合をヒッグスダブルレットへの制限を課し、$s$チャネルヒッグス交換によって再結合を支配する。
• 再結合温度を$\Gamma_h \simeq H(T_{\rm RH}) \simeq \rho(T_{\rm RH}) / (6M_5^3)$により推定し、$T_{\rm RH} \simeq 2.9 \times 10^4$ GeVが得られる。
• BICEP2およびプランクの制約、特に$r \simeq 0.2$とプランクの$r < 0.11$の不整合を、$\alpha \simeq -0.022$のスペクトル指数の変化を用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常の宇宙論で小さな$r$を予測する単純なブレーン・ワールドインフレーションモデルが、$r \simeq 0.2$というBICEP2の結果を再現できるか。
• RQ2 5次元プランク質量$M_5$は、ブレーン・ワールドインフレーションにおけるテンソル対スカラー比$r$にどのように影響を与えるか。観測と整合する$M_5$の値は何か。
• RQ3 $M_5 \sim 10^6$ GeVの下で、$n_s$および$r$の測定と両立する範囲で、最小のインフレートン質量は何か。
• RQ4 ヒッグスポータル結合は、ローレンツ不変なモデルにおいて、インフレーション後の再結合をどのように可能にするか。
• RQ5 電弱スケールに位置する軽いインフレートン（$\mathcal{O}(100)$ GeV）は、観測可能な物性的現象（例：ヒッグスの崩壊分岐比の増加やダークマターの統一）を引き起こせるか。

主な発見

• 5次元のバルクの影響により、ブレーン・ワールド宇宙論においてテンソル対スカラー比$r$が増幅され、通常の宇宙論で小さな$r$を予測するモデルでも、BICEP2の$r = 0.2^{+0.07}_{-0.05}$と整合する。
• $M_5 \sim 10^6$ GeVの下で、インフレートン質量が$\mathcal{O}(100)$ GeVであれば、BICEP2およびプランクデータの両方と整合するインフレーション予測が得られる。
• 関係式$m \simeq 10^{-4} M_5$により、全テストモデルにおいてインフレーション観測量と観測制約の両立が保証される。
• 再結合は、ヒッグスポータルを通じたインフレートンのヒッグスへの崩壊によって起こり、再結合温度は$T_{\rm RH} \simeq 2.9 \times 10^4$ GeVに達し、熱平衡化に十分である。
• ヒッグス粒子のインフレートン対への分岐比が1%に達する可能性があり、将来的な加速器実験で検証可能である。
• ヒッグスポテンシャルおよびコールドマン＝ワインバーグポテンシャルモデルにおいて、$V/\rho_0 \lesssim 1$のやや弱いブレーン・ワールド効果が、BICEP2とプランクの結果を最もよく両立させる。