[论文解读] Critical Higgs Inflation and Second Order Gravitational Wave Signatures

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

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

该论文提出，在临界希格斯 inflation情景中，希格斯玻色子可作为暴胀子，其自耦合常数在约10^17–18 GeV时趋近于零，从而仅需O(10)量级的非最小耦合即可实现慢滚暴胀。慢滚条件的破坏引发超调现象，并激发熵扰动，增强标量曲率扰动，进而通过DECIGO/BBO探测到可探测的二阶引力波。

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.

研究动机与目标

• 探索希格斯玻色子是否可在仅具有最小非最小耦合的临界希格斯情景中作为暴胀子。
• 通过证明当希格斯自耦合常数趋近于零时，O(10)量级的非最小耦合已足够，解决微扰单位性问题。
• 研究在平坦势能区域之前超调阶段标量扰动的动力学行为。
• 评估由增强的曲率扰动产生的二阶引力波的生成机制。
• 评估未来空间探测器如DECIGO和BBO对这些引力波的可探测性。

提出的方法

• 在约10^17–18 GeV附近建模希格斯势，使其自耦合常数的一阶和二阶导数均趋于零，形成临界点。
• 对希格斯暴胀情景应用慢滚近似，识别出由于场快速演化而使慢滚条件被破坏的区域。
• 利用有效场论技术分析超调阶段曲率扰动与熵扰动的动力学行为。
• 计算标量曲率扰动的功率谱，特别关注非绝热（熵）模式激发导致的增强效应。
• 利用非线性扰动理论推导由增强的标量扰动激发的二阶引力波的能量密度。
• 利用DECIGO和BBO空间探测器的灵敏度曲线估算所产生引力波信号的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅具有O(10)量级非最小耦合的临界希格斯情景中，希格斯玻色子能否作为暴胀子，且避免微扰单位性问题？
• RQ2 在超调阶段慢滚条件的破坏如何影响曲率扰动的生成？
• RQ3 在进入平坦势能区域的过渡过程中，熵（非绝热）扰动被激发的程度如何？
• RQ4 由增强的标量扰动产生的二阶引力波的振幅与频率谱为何？
• RQ5 由该模型产生的引力波信号能否被未来的空间望远镜如DECIGO和BBO探测到？

主要发现

• 由于在约10^17–18 GeV附近自耦合常数表现出临界行为，即使非最小耦合为O(10)，希格斯玻色子仍可作为暴胀子。
• 慢滚条件的破坏导致超调现象，通过激发熵模式显著增强标量曲率扰动。
• 增强的曲率扰动出现在与原初黑洞形成相关的尺度上，尽管未必足以触发大量形成。
• 这些增强的扰动可激发能量密度足以被DECIGO和BBO探测到的二阶引力波。
• 引力波信号主要由增强标量模态的非线性耦合激发，形成独特的二阶特征。
• 该信号的可探测性取决于临界希格斯势的精确参数，但该模型仍处于微扰单位性边界之内。