[논문 리뷰] Critical Higgs Inflation and Second Order Gravitational Wave Signatures

Manuel Drees, Yong Xu|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 31.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 자기결합상수가 약 10^17–18 GeV에서 0에 수렴하는 임계 힉스 인플레이션 시나리오에서 힉스 보손이 인플라톤으로 작용할 수 있다고 제안한다. 이 경우 비정상적인 비례 상수 O(10)만으로도 느린 굴절 인플레이션을 가능하게 한다. 느린 굴절 조건 위반은 과도진동을 유도하며, 이는 엔트로픽 변동을 자극하여 스칼라 곡률 변동을 강화시켜 DECIGO/BBO에서 감지 가능한 이阶 중력파를 유도한다.

ABSTRACT

The self coupling $\lambda$ of the Higgs boson in the Standard Model may show critical behavior, i.e. the Higgs potential may have a point at an energy scale $\sim 10^{17-18}$ GeV where both the first and second derivatives (almost) vanish. In this case the Higgs boson can serve as inflaton even if its nonminimal coupling to the curvature scalar is only ${\cal O}(10)$, thereby alleviating concerns about the perturbative unitarity of the theory. We find that just before the Higgs as inflaton enters the flat region of the potential the usual slow--roll conditions are violated. This leads to overshooting behavior, which in turn strongly enhances scalar curvature perturbations because of the excitation of entropic (non--adiabatic) perturbations. For appropriate choice of the free parameters these large perturbations occur at length scales relevant for the formation of primordial black holes. Even if these perturbations are not quite large enough to trigger copious black hole formation, they source second order tensor perturbations, i.e. primordial gravitational waves; the corresponding energy density can be detected by the proposed space-based gravitational wave detectors DECIGO and BBO.

연구 동기 및 목표

• 임계 힉스 시나리오에서 비정상적인 비례 상수가 O(10)일 때도 힉스 보손이 인플라톤으로 기능할 수 있는지 탐구한다.
• 자기결합상수가 0에 수렴함에 따라 O(10) 비정상적인 비례 상수가 충분함을 보여, 펌프터티브 유니타리성 문제를 해결한다.
• 평탄한 잠재에너지 영역에 진입하기 전의 과도진동 단계에서 스칼라 변동의 역학을 조사한다.
• 강화된 곡률 변동으로부터 유도되는 이阶 중력파의 생성을 평가한다.
• 향후 우주기반 탐지기인 DECIGO 및 BBO와 같은 탐지기에서 이러한 중력파의 감지 가능성 평가.

제안 방법

• 자기결합상수의 일阶 및 일계 도함수가 10^17–18 GeV 근처에서 모두 0이 되는 임계점이 존재하는 힉스 잠재에너지 모델링.
• 느린 굴절 근사법을 힉스 인플레이션 시나리오에 적용하여, 필드의 빠른 진동으로 인해 느린 굴절 조건이 위반되는 영역 식별.
• 효과적 양자장 이론 기법을 사용하여 과도진동 단계 동안 곡률 및 엔트로픽 변동의 역학 분석.
• 비단조화(엔트로픽) 모드의 자극에 기인한 증폭을 강조하여 스칼라 곡률 변동의 스펙트럼 계산.
• 비선형 변동 이론을 사용하여 강화된 스칼라 모드에 의해 유도되는 이阶 중력파의 에너지 밀도 유도.
• DECIGO 및 BBO 우주기반 탐지기의 감도 곡선을 사용하여 유도된 중력파 신호의 감지 가능성 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계 힉스 시나리오에서 비정상적인 비례 상수가 O(10)일 때도 힉스 보손이 인플라톤으로 작용할 수 있는가? 이 경우 펌프터티브 유니타리성 문제를 피할 수 있는가?
• RQ2 과도진동 단계에서 느린 굴절 조건 위반이 곡률 변동 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 평탄한 잠재에너지 영역으로의 전이 과정에서 엔트로픽(비단조화) 변동은 어느 정도 자극되는가?
• RQ4 강화된 스칼라 변동으로부터 유도되는 이阶 중력파의 진폭과 주파수 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ5 유도된 중력파 신호는 향후 우주기반 관측소인 DECIGO 및 BBO에서 감지 가능한가?

주요 결과

• 자기결합상수가 약 10^17–18 GeV에서 임계 행동을 보일 경우, 비정상적인 비례 상수가 O(10)이어도 힉스 보손이 인플라톤으로 기능할 수 있다.
• 느린 굴절 조건 위반은 과도진동을 유도하며, 이는 엔트로픽 모드 자극을 통해 스칼라 곡률 변동을 강하게 증폭시킨다.
• 강화된 곡률 변동은 초기 블랙홀 형성에 관련된 스케일에서 발생하지만, 반드시 다량의 형성을 유도하는 것은 아니다.
• 이러한 강화된 변동은 DECIGO 및 BBO에서 감지 가능한 에너지 밀도를 갖는 이阶 중력파를 유도한다.
• 중력파 신호는 주로 강화된 스칼라 모드의 비선형 결합에 의해 기인하며, 이는 특징적인 이阶 서명을 형성한다.
• 신호의 감지 가능성은 임계 힉스 잠재에너지의 정밀한 매개변수에 따라 달라지지만, 모델은 여전히 펌프터티브 유니타리성 한계 내에 유지된다.