[논문 리뷰] The Standard model Higgs as the inflaton

Fedor Bezrukov|ArXiv.org|2008. 05. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 힉스 보손이 중력과 큰 비최소 결합($\xi \gg 1$)을 통해, 새로운 물리학 없이도 혼돈적 인플레이션을 이끌 수 있다고 제안한다. 이 모형은 스케일 불변에 가까운 스칼라 펌칭 스펙트럼과 매우 작은 텐서 대 스칼라 비율($r \approx 0.0033$)을 예측하며, WMAP-5 관측 결과와 일치한다. 이는 낮은 에너지에서 전자약 상호작용 물리학을 유지한다.

ABSTRACT

We describe how non-minimal coupling term between the Higgs boson and gravity can lead to the chaotic inflation in the Standard Model without introduction of any additional degrees of freedom. Produced cosmological perturbations are predicted to be in accordance with observations. The tensor modes of perturbations are practically vanishing in the model.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 힉스 보손이 새로운 장을 도입하지 않고도 중력과의 비최소 결합을 통해 인플레이션을 이끌 수 있음을 보여주기.
• 유도된 우주론적 펌칭 스펙트럼이 현재의 CMB 관측, 특히 WMAP-5 데이터와 일치하는지 보여주기.
• 양자 보정이 느슨한 굴림 인플레이션에 필요한 평탄한 포텐셜을 손상시키지 않는다는 것을 주장하기.
• 큰 결합 상수에도 불구하고 낮은 에너지 스케일에서 전자약 물리학이 그대로 유지된다는 것을 확립하기.

제안 방법

• 힉스 장과 중력을 연결하기 위해 비최소 결합 항 $\xi H^\dagger H R$ 를 포함한 조던 프레임 작용을 사용하기.
• 이론을 아인슈타인 프레임으로 매핑하기 위해 등각 변환을 적용하여 힉스 장의 비최소 운동 에너지 항을 도입하기.
• 큰 장 영역에서의 역학을 기록하기 위해 장 재정의를 통해 새로운 스칼라 장 $\chi$ 를 정의하기.
• 아인슈타인 프레임에서의 효과적 포텐셜 $U(\chi)$ 를 계산하여, 큰 $\chi$ 에서 거의 평탄한 형태를 띠게 함을 보여주기.
• 느슨한 굴림 근사법을 사용하여 $N=60$ 에포크에 해당하는 스펙트럼 지수 $n_s$ 와 텐서 대 스칼라 비율 $r$ 의 예측을 유도하기.
• 일주위 반사 보정을 분석하여, 그들이 억제되어 평탄한 포텐셜을 파괴하지 않는다는 것을 보여주기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 힉스 보손만으로도 중력과의 비최소 결합을 통해 혼돈적 인플레이션을 생성할 수 있는가?
• RQ2 유도된 인플레이션 모형이 현재의 CMB 관측 결과와 일치하는 우주론적 펌칭을 생성하는가?
• RQ3 특히 표준모형 입자로부터 온 양자 보정이 느슨한 굴림 인플레이션에 필요한 평탄한 포텐셜을 파손시키는 데 충분한가?
• RQ4 고에너지에서의 인플레이션을 가능하게 하면서도 관측된 전자약 스케일 물리학을 유지하는가?
• RQ5 우주론적 관측 결과로 인해 비최소 결합 매개변수 $\xi$ 가 제약을 받을 수 있는가?

주요 결과

• 모형은 $n_s \approx 0.97$ 의 스칼라 스펙트럼 지수를 예측하며, WMAP-5 관측의 $1\sigma$ 신뢰 영역과 일치한다.
• 텐서 대 스칼라 비율은 $r \approx 0.0033$ 로 예측되어 매우 작은 초기 중력파를 나타낸다.
• 아인슈타인 프레임에서의 효과적 포텐셜은 $\chi \gg M_P/\sqrt{\xi}$ 에서 거의 평탄해지며, 이는 느슨한 굴림 인플레이션을 가능하게 한다.
• 표준모형 입자로부터 온 반사 보정은 양자역학적 쿠르타 및 게이지 결합 상수에 의해 억제되며, 포텐셜의 평탄함을 손상시키지 않는다.
• 진공 불안정성을 피하기 위해 힉스 질량은 $130\,\text{GeV} < M_H < 190\,\text{GeV}$ 의 창문 내에 있어야 한다.
• 전자약 스케일과 플랑크 스케일 사이에 새로운 물리학을 도입하지 않으며, 힉스 장 하나만으로도 인플레이션을 매개한다.