[논문 리뷰] Running Standard Model Inflation And Type I Seesaw

Nobuchika Okada, Mansoor Ur Rehman외 1명|ArXiv.org|2009. 11. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 12인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 비정규적인 힉스-중력 결합을 가진 표준모형에서 중간 스케일의 무거운 오른쪽 히iggs 뉴트리노를 가진 타입 I 시우드 물리학이 인플레이션 예측을 상당히 변화시킬 수 있음을 제안한다. 이는 힉스 보손 질량이 약 130 GeV일 경우, 나무단계 예측값 0.968 이하로 스칼라 스펙트럼 지수 $ n_s $ 를 낮추며, PLANCK와 LHC 측정의 조합을 통해 모델을 검증 가능하게 한다.

ABSTRACT

Several authors have recently argued that a satisfactory inflationary scenario can be implemented in the Standard Model (SM) by introducing a strong non-minimal coupling of the Higgs doublet to gravity. It is shown here that type I seesaw physics containing right handed neutrinos at intermediate scales can have a significant impact on the inflationary predictions of these models. For one such model, values of the scalar spectral index lower than the tree level prediction of 0.968 are realized for plausible values of the seesaw parameters and a SM Higgs boson mass close to 130 GeV. A precise measurement of n_s by PLANCK, as well as measurement of the Higgs boson mass by LHC should provide stringent tests of this SM based inflationary scenario supplemented by type I seesaw physics.

연구 동기 및 목표

• 비정규적인 힉스-중력 결합을 가진 러닝 표준모형에서 타입 I 시우드 물리학이 인플레이션 예측에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 중간 스케일의 오른쪽 뉴트리노가 인플레이션 천체물리학의 핵심 관측량인 스칼라 스펙트럼 지수 $ n_s $ 를 어떻게 변화시킬 수 있는지 확인하는 것.
• 현재 및 향후 실험 제약 조건을 활용하여 시우드 메커니즘을 보완한 러닝 표준모형 인플레이션 시나리오의 타당성을 평가하는 것.
• 힉스 보손 질량, 시우드 스케일, 스칼라 스펙트럼 지수 간의 상관관계를 탐색하여, 향후 PLANCK와 LHC 측정을 통해 검증 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 비정규적인 결합 $ \xi H^\dagger H \mathcal{R} $ 를 가진 러닝 표준모형 인플레이션 프레임워크를 채택하며, 콪포르멀 변환을 통해 액션을 아인슈타인 프레임으로 변환한다.
• 느린가속 근사법을 사용하여 인플레이션 매개변수 $ \epsilon $ 과 $ \eta $ 를 계산하고, 스칼라 스펙트럼 지수 $ n_s = 1 + 2\eta - 6\epsilon $ 를 도출한다.
• 시우드 행렬 $ \mathbf{S}_\nu $ 를 통한 수정을 통해 러닝 그룹 방정식(RGEs)에 타입 I 시우드 효과를 통합한다. 이는 토프 양자수학 상수 $ y_t $, 힉스 4차 상수 $ \lambda $, 게이지 상수에 대한 $ \beta $-함수를 수정함으로써 이루어진다.
• 시우드 행렬 $ \mathbf{S}_\nu = y_\nu y_\nu^\dagger M_R^{-1} $ 을 도입하며, 여기서 $ y_\nu $ 는 디라크 양자수학 상수이고 $ M_R $ 은 오른쪽 뉴트리노 질량 스케일이다.
• 시우드 유도 보정을 포함한 수치적 RGE 진화를 $ M_R $ 스케일에서 전자약력 스케일까지 수행하며, $ y_t $, $ \lambda $, 및 $ \gamma $ (이상치 차원) 에 영향을 미친다.
• 단일 오른쪽 뉴트리노 모델과 실제적인 세 오른쪽 뉴트리노 모델 모두에 대해 스칼라 스펙트럼 지수 $ n_s $ 와 텐서-스칼라 비율 $ r $ 을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 러닝 표준모형 인플레이션에서 타입 I 시우드 물리학의 포함이 스칼라 스펙트럼 지수 $ n_s $ 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 중간 스케일에서의 시우드 물리학(예: $ M_R \sim 10^{13} $ GeV)이 나무단계 예측값 0.968 이하로 $ n_s $ 를 낮출 수 있는가?
• RQ3 측정된 $ n_s $ 를 기반으로 힉스 보손 질량과 시우드 스케일 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ4 실제적인 세 뉴트리노 시우드 모델을 고려할 경우 $ n_s $ 와 $ r $ 의 예측은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 미래의 PLANCK와 LHC 데이터가 러닝 표준모형 인플레이션에 시우드 물리학이 포함되었는지 여부를 어느 정도로 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 힉스 보손 질량이 약 130 GeV이고 시우드 스케일 $ M_R \gtrsim 10^{13} $ GeV일 경우, 스칼라 스펙트럼 지수 $ n_s $ 는 나무단계 값 0.968 이하로 예측된다.
• 시우드 유도 보정이 RGE에 영향을 미쳐 $ n_s $ 가 상당히 감소하며, 이는 토프 쿼크 양자수학 상수를 증가시킨 것과 유사한 결과를 낳는다.
• 실제적인 세 오른쪽 뉴트리노 모델에서 $ M_R \gtrsim 10^{13} $ GeV일 경우 스칼라 스펙트럼 지수 $ n_s $ 는 여전히 0.968 이하로 유지되며, 단일 뉴트리노 모델과 일관된 결과를 낳는다.
• 현재의 WMAP 측정으로부터의 $ n_s $ 는 시우드 스케일 또는 디라크 양자수학 상수 증가에 따라 증가하는 힉스 질량의 하한을 설정한다.
• 텐서-스칼라 비율 $ r $ 은 약 $ \sim 10^{-3} $ 수준을 유지하며, PLANCK의 감도 이하이므로 $ n_s $ 가 주요 구분 기준이 된다.
• 따라서 향후 PLANCK와 LHC가 $ n_s $ 와 힉스 질량을 정밀하게 측정할 경우, 러닝 표준모형 인플레이션과 시우드 메커니즘을 동시에 검증할 수 있다.