[논문 리뷰] Quadratic Chaotic Inflation from Higgs Inflation

Ichiro Oda, Takahiko Tomoyose|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 06.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 캐논칼리지가 아닌 비표준 운동항항을 포함한 변화하는 힉스 자기상호작용을 포함함으로써 아인슈타인 프레임에서의 이차항 혼란 인플레이션을 역동적으로 실현하는 조던 프레임 내 일반화된 힉스 인플레이션 모델을 제안한다. 이는 BICEP2가 관측한 $ r \approx 0.2 $ 를 지지하는 대규모 필드 인플레이션을 재현할 수 있음을 보여주며, 표준 힉스 인플레이션 모델이 예측하는 $ r \approx 0.003 $ 와의 갈등을 해결한다.

ABSTRACT

Stimulated with the recent discovery of B-mode by BICEP2, we discuss the relation between a Higgs inflation and a chaotic inflation with quadratic potential. Starting with a generalized Higgs inflation model, we derive a condition for obtaining the quadratic chaotic inflation. It is shown that the running of the Higgs self-coupling constant in the Jordan frame plays a decisive role when the generalized Higgs inflation model coincides with the Higgs inflation model in a small-field limit.

연구 동기 및 목표

• 표준 힉스 인플레이션 모델이 예측하는 $ r \approx 0.003 $ 와 BICEP2의 관측 결과 $ r \approx 0.2 $ 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 변화하는 자기상호작용과 비표준 운동항항을 가진 일반화된 힉스 인플레이션 모델이 이차항 혼란 인플레이션의 대규모 필드 역학을 재현할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 특히 아인슈타인 프레임에서 힉스 인플레이션과 혼란 인플레이션 간의 일관성을 확보하는 데 있어 조던 프레임이 재정규화 스케일 선택에 미치는 역할을 명확히 하기 위해.
• 일반화된 힉스 모델이 소규모 및 대규모 필드 근사에서 모두 표준 힉스 인플레이션으로 수렴함으로써 물리적 일관성을 유지함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 일반적인 함수 $ F(h) $, $ K(h) $, $ U(h) $ 를 포함한 조던 프레임 내 일반화된 힉스 인플레이션 라그랑지안을 구성하여 비최소 결합과 비표준 운동항항을 허용한다.
• 아인슈타인 프레임으로의 콘formal 변환을 수행하여, $ \tilde{R} $, $ \tilde{g}^{\mu\nu} \partial_\mu h \partial_\nu h $, 및 수정된 포텐셜을 포함하는 효과적 아인슈타인-프레임 라그랑지안을 유도한다.
• $ F(h) $ 와 $ K(h) $ 에 조건을 도입하여 아인슈타인-프레임 포텐셜이 인플레이션 필드 $ \phi $ 에 대해 이차항이 되도록 하여 혼란 인플레이션 형태 $ \mathcal{L} \propto -\frac{1}{2}(\partial\phi)^2 - \frac{1}{2}m^2\phi^2 $ 와 일치하도록 한다.
• 조던 프레임 내에서 힉스 필드 $ h $ 를 재정규화 스케일 $ \mu = h $ 로 사용하여, 달라지는 상호작용 계수의 행동이 일관되게 유지되도록 한다.
• 소규모 필드 근사($ \xi h^2 \ll M_p^2 $) 와 대규모 필드 근사($ \xi h^2 \gg M_p^2 $) 를 분석하여, 양쪽 근사에서 라그랑지안이 모두 표준 힉스 인플레이션으로 수렴함을 보여준다.
• 비최소 결합 $ \xi $ 에 대한 제약 조건을 도출하여 $ \xi < 7 \times 10^2 $ 라고 보여주며, 이는 이전 BICEP2 호환 모델에서 사용된 $ \xi \approx 10 $ 의 값을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변화하는 힉스 자기상호작용과 비표준 운동항항을 가진 일반화된 힉스 인플레이션 모델이 아인슈타인 프레임에서 이차항 혼란 인플레이션의 역학을 재현할 수 있는가?
• RQ2 조던 프레임 내에서의 힉스 자기상호작용 변화는 BICEP2 결과와 일치하는 대규모 필드 인플레이션을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 조던 프레임 내에서 재정규화 스케일 $ \mu = h $ 를 선택하는 것이 아인슈타인 프레임에서 혼란 인플레이션과의 일관성에 필수적인가?
• RQ4 일반화된 모델이 소규모 및 대규모 필드 근사에서 모두 표준 힉스 인플레이션으로 수렴하는가?
• RQ5 모델이 힉스 섹터와 유니타리 제약 조건을 유지하면서도 $ r \approx 0.2 $ 의 텐서-스칼라 비율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 조던 프레임 내에서 힉스 자기상호작용이 $ \lambda(h) \propto e^{-\alpha h} $ 와 같이 변화할 경우, 일반화된 힉스 인플레이션 모델은 아인슈타인 프레임에서 이차항 혼란 인플레이션을 성공적으로 재현한다.
• 조던 프레임 내에서의 힉스 자기상호작용 변화는 BICEP2 결과 $ r \approx 0.2 $ 와 일치하는 대규모 필드 인플레이션 시나리오를 실현하는 데 필수적이다.
• 비록 소규모 필드($ \xi h^2 \ll M_p^2 $) 및 대규모 필드($ \xi h^2 \gg M_p^2 $) 근사에서 모두 라그랑지안이 표준 힉스 인플레이션으로 수렴함으로써 다양한 영역에서의 일관성이 보장된다.
• 비최소 결합 $ \xi $ 는 $ \xi < 7 \times 10^2 $ 로 제약되며, 이는 이전 BICEP2 호환 모델에서 사용된 $ \xi \approx 10 $ 의 값을 포함한다.
• 형식론은 조던 프레임이 재정규화 스케일 선택에 더 근본적임을 보여주며, 혼란 인플레이션과의 일치를 위해 필요한 정확한 변화 행동을 보장한다.
• 모델은 힉스 필드가 대규모 필드 포텐셜을 가진 인플라톤으로 기능할 수 있는 일관된 프레임워크를 제공하며, 힉스 인플레이션과 BICEP2 관측 결과 사이의 갈등을 해결한다.