[논문 리뷰] Higgs vacuum stability and inflationary dynamics in the light of BICEP2 results

Kaushik Bhattacharya, Joydeep Chakrabortty외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 18.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전자약력 진공의 안정성과 고스케일 인플레이션을 동시에 달성하기 위해 표준모형의 U(1)_{B-L} 확장을 제안한다. 이 모형은 인플레이션 스케일 이상에서 자동으로 대칭이 깨지는 무거운 게이지 싱게트르 필드에 인플라톤을 포함시켜, 이를 통해 고스케일 인플레이션과 함께 진공 안정성을 확보한다. 무거운 인플라톤 필드의 임계 보정은 힉스 4차 상호작용 상수를 억제하여 약 10^10 GeV까지 진공 안정성을 보장한다. 동시에 제한된 매개변수 공간 내에서 성공적인 인플레이션과 재가열을 가능하게 한다.

ABSTRACT

If the recent detection of $B-$mode polarization of the Cosmic Microwave Background by BICEP2 observations, withstand the test of time after the release of recent PLANCK dust polarisation data, then it would surprisingly put the inflationary scale near Grand Unification scale if one considers single-field inflationary models. On the other hand, Large Hadron Collider has observed the elusive Higgs particle whose presently observed mass can lead to electroweak vacuum instability at high scale $(\sim{\mathcal O}(10^{10})$ GeV). In this article, we seek for a simple particle physics model which can simultaneously keep the vacuum of the theory stable and yield high-scale inflation successfully. To serve our purpose, we extend the Standard Model of particle physics with a $U(1)_{B-L}$ gauged symmetry which spontaneously breaks down just above the inflationary scale. Such a scenario provides a constrained parameter space where both the issues of vacuum stability and high-scale inflation can be successfully accommodated. The threshold effect on the Higgs quartic coupling due to the presence of the heavy inflaton field plays an important role in keeping the electroweak vacuum stable. Furthermore, this scenario is also capable of reheating the universe at the end of inflation. Though the issues of Dark Matter and Dark Energy, which dominate the late-time evolution of our universe, cannot be addressed within this framework, this model successfully describes the early universe dynamics according to the Big Bang model.

연구 동기 및 목표

• 관측된 힉스 보손 질량이 고스케일에서 전자약력 진공 불안정성을 암시하는 데 반해, BICEP2의 B모드 검출이 암시하는 고스케일 인플레이션 간의 갈등을 해결하기 위함.
• 동시에 전자약력 진공을 안정화하고 고스케일 단일장 인플레이션을 지원하는 최소한의 입자물리 모형을 구축하기 위함.
• 무거운 인플라톤 필드의 임계 효과가 힉스 4차 상호작용 상수를 억제하여 진공 붕괴를 방지할 수 있는지 탐색하기 위함.
• 모형이 빅뱅 천문학에 부합하는 바탕이 되는 열역학적 열화를 보장하는 재가열 메커니즘을 허용하는지 확보하기 위함.
• 진공 안정성과 인플레이션 역학이 동시에 실현되는 제한된 매개변수 공간을 규명하기 위함.

제안 방법

• 인플레이션 기간 동안 유지되는 비대칭이 아닌 U(1)_{B-L} 게이지 대칭을 표준모형에 확장한다. 이 대칭은 인플레이션 스케일 이상에서 자동 대칭 깨짐을 겪는다.
• 무거운 게이지 싱게트르 스칼라 필드(인플라톤)를 도입하여, 이는 큰 진공 기대값을 취함으로써 U(1)_{B-L}의 자동 대칭 깨짐을 유도하고 인플레이션 포텐셜을 생성한다.
• 1-루프 양자 보정을 통해 힉스 4차 상호작용 상수의 변화를 계산하며, 특히 무거운 인플라톤의 임계 효과가 러닝 상수를 억제하고 전자약력 진공을 안정화시킴을 확인한다.
• 콜레먼-바이너그 메커니즘을 사용하여 효과적 인플라톤 포텐셜을 생성함으로써 느린 러닝 조건을 확보하고 성공적인 인플레이션을 실현한다.
• 인플라톤과 표준모형 필드 간의 결합을 통한 재가열 메커니즘을 분석하여, 인플레이션 후 우주의 열역학적 열화를 보장한다.
• 관측된 힉스 질량, 인플레이션 관측량(예: 스칼라 스펙트럼 지수) 및 진공 안정성 기준을 사용하여 모형 매개변수를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U(1)_{B-L} 확장된 표준모형이 관측된 힉스 질량과 일치하면서도 약 10^10 GeV까지 전자약력 진공을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 U(1)_{B-L} 모형 내의 무거운 인플라톤 필드 존재가 힉스 4차 상호작용 상수에 충분한 임계 보정을 제공하여 진공 붕괴를 방지할 수 있는가?
• RQ3 이 모형이 BICEP2의 B모드 편광 검출 결과를 원천으로 간주할 경우, 고스케일 인플레이션을 일관되게 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 틀 안에서 인플레이션 이후 재가열 과정이 타당하여 뜨거운 빅뱅 우주를 만들어낼 수 있는가?
• RQ5 진공 안정성과 성공적인 인플레이션을 동시에 실현할 수 있는 제한된 매개변수 공간은 무엇인가?

주요 결과

• 무거운 인플라톤 필드의 임계 보정은 고스케일에서 힉스 4차 상호작용 상수를 억제하여 전자약력 진공을 약 10^10 GeV까지 안정화시킨다.
• 모형은 인플레이션 스케일이 대략 그랜드 통합 스케일 근처에 위치하는 고스케일 인플레이션을 실현하며, BICEP2의 B모드 검출 결과가 확인된다면 이를 일관되게 설명한다.
• 인플레이션 스케일 이상에서 U(1)_{B-L}의 자동 대칭 깨짐은 인플라톤 포텐셜 생성과 진공 안정화에 자연스러운 메커니즘을 제공한다.
• 모형은 인플라톤의 표준모형 필드와의 결합을 통해 성공적으로 재가열을 가능하게 하여, 인플레이션 후 우주의 열역학적 열화를 보장한다.
• 진공 안정성, 인플레이션 관측량 및 관측된 힉스 질량의 요구 조건으로 인해 매개변수 공간이 제약되며, 이는 예측 가능한 프레임워크를 제공한다.