[論文レビュー] Simple Inflationary Models in Light of BICEP2: an Update

Nobuchika Okada, V. N. Şenoğuz+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 59被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、標準模型のシングレットスカラインフレートンを用いて、5つのインフレーションモデルを更新し、フェルミオンおよびボソンのカップリング、ヒッグス／コールマン＝ワインバーグポテンシャル、および非最小重力カップリングを組み込む。n_s ≈ 0.96の場合、テンソル対スカラー比rはBICEP2のr = 0.20+0.07-0.05と整合的であり、|dn_s/dlnk|は10^-4から10^-3の範囲で予測される。

ABSTRACT

The BICEP2 (CMB polarimeter) experiment has recently announced the discovery of inflationary gravitational waves in the B-mode power spectrum, with the tensor to scalar ratio r = 0.20+0.07-0.05. If confirmed, this provides a tremendous boost for a class of inflationary models in which the energy scale during inflation is on the order of 10^16 GeV. Inspired by this discovery, we provide an update on five relatively well motivated inflationary models in which the inflaton is a Standard Model singlet scalar field. These include i) the textbook quadratic and quartic potential models but with additional couplings of the inflaton to fermions and bosons, which enable reheating and also modify the naive predictions for the scalar spectral index n_s and r, ii) models with Higgs and Coleman-Weinberg potentials, and finally iii) a quartic potential model with non-minimal coupling of the inflaton to gravity. For n_s values close to 0.96, as determined by the WMAP9 and Planck experiments, the all-important parameter r in these models is nicely compatible with the BICEP2 measurements. The running of the scalar spectral index, quantified by |dn_s/dlnk|, is predicted in these models to be of order 10^-4-10^-3.

研究の動機と目的

• BICEP2が報告したr = 0.20+0.07-0.05を踏まえて、シングレットスカラインフレートンを有するwell-motivatedなインフレーションモデルを再評価すること。
• フェルミオンおよびボソンへの追加カップリングがn_sおよびrの予測に与える影響を評価すること。
• ヒッグス、コールマン＝ワインバーグ、および非最小カップリングされた四次ポテンシャルモデルがBICEP2およびプランクデータと整合するかをテストすること。
• これらのモデルにおけるスカラースペクトル指数のランニング|dn_s/dlnk|を定量化すること。
• WMAP9およびプランクからの更新された観測制約のもとで、これらのモデルが依然として妥当であるかを特定すること。

提案手法

• 再結合を可能にし、スペクトル予測を修正するフェルミオンおよびボソンへのインフレートンカップリングを追加した教科書的二次および四次ポテンシャルモデルを分析する。
• インフレートン系にヒッグスおよびコールマン＝ワインバーグポテンシャル形式を適用し、その宇宙論的整合性を評価する。
• 重力への非最小カップリングを有する四次ポテンシャルモデルを検討し、曲率相互作用による有効ポテンシャルの修正を評価する。
• スローロール近似を用いてスカラースペクトル指数n_sおよびテンソル対スカラー比rの予測を計算する。
• n_s ≈ 0.96およびBICEP2のr測定値と照らし合わせて、モデル出力をWMAP9およびプランクデータと比較する。
• スローロールパラメータおよびポテンシャルの微分を用いて、スカラースペクトル指数のランニング|dn_s/dlnk|を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオンおよびボソンカップリングを含めた場合、標準インフレーションモデルにシングレットスカラインフレートンを用いることで、BICEP2のr = 0.20+0.07-0.05と整合性を保ち続けられるか？
• RQ2 ヒッグスおよびコールマン＝ワインバーグポテンシャルは、現在のCMBデータの文脈でn_sおよびrの予測にどのように影響を与えるか？
• RQ3 重力への非最小カップリングは、四次ポテンシャルモデルの妥当性にどのような制約を課えるか？
• RQ4 これらの更新されたモデルにおけるスカラースペクトル指数のランニングの予測された大きさ|dn_s/dlnk|は何か？
• RQ5 WMAP9およびプランクのn_s ≈ 0.96の値を踏まえて、これらのモデルは依然として妥当であるか？

主な発見

• n_s ≈ 0.96の場合、5つのモデルすべてにおいてテンソル対スカラー比rは、BICEP2が報告したr = 0.20+0.07-0.05と整合的である。
• インフレートンがフェルミオンおよびボソンとカップリングすることで、n_sおよびrの単純な予測が変更され、観測結果との整合性が向上する。
• ヒッグスおよびコールマン＝ワインバーグポテンシャルモデルは、インフレートンがシングレットスカラである限り、現在のデータ制約のもとで妥当である。
• 非最小カップリングされた四次ポテンシャルモデルにおいても、n_s ≈ 0.96の場合、rの値はBICEP2と整合的である。
• これらのモデルにおいて、スカラースペクトル指数のランニング|dn_s/dlnk|は10^-4から10^-3の範囲で予測される。
• これらのモデルは、エネルギースケールが約10^16 GeVの高エネルギーインフレーションがBICEP2のBモード信号の説明として依然として妥当である可能性を示唆している。