[论文解读] Higgs vacuum stability and inflationary dynamics in the light of BICEP2 results

Kaushik Bhattacharya, Joydeep Chakrabortty+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

该论文提出对标准模型进行U(1)_{B-L}扩展，通过将暴胀子嵌入一个在暴胀尺度以上自发破缺的重规范 singlet，实现电弱真空的稳定化并支持高尺度暴胀。来自重暴胀子场的阈值修正抑制了希格斯四次耦合，确保真空稳定性可维持至约10^10 GeV，同时在受限参数空间内成功实现暴胀与再加热。

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.

研究动机与目标

• 解决观测到的希格斯玻色子质量所暗示的电弱真空在高能标（~10^10 GeV）下不稳定的矛盾，以及BICEP2的B模式探测所暗示的高暴胀尺度之间的张力。
• 构建一个最小化的粒子物理模型，同时实现电弱真空的稳定化与高尺度单场暴胀。
• 探讨重暴胀子场的阈值效应是否能抑制希格斯四次耦合，从而防止真空衰变。
• 确保该模型允许在暴胀后实现成功的再加热，与大爆炸宇宙学一致。
• 识别出同时实现真空稳定性和暴胀动力学的受限参数空间。

提出的方法

• 在标准模型中引入一个在暴胀期间未破缺但在暴胀尺度以上自发破缺的U(1)_{B-L}规范对称性。
• 引入一个具有大真空期望值的重规范 singlet 标量场（即暴胀子），触发U(1)_{B-L}的自发对称性破缺，并生成暴胀势能。
• 计算希格斯四次耦合的单圈量子修正，特别是来自重暴胀子的阈值效应，该效应抑制了跑动耦合并稳定了电弱真空。
• 利用Coleman-Weinberg机制生成有效暴胀子势能，确保慢滚条件以实现成功暴胀。
• 通过暴胀子与标准模型场的耦合分析再加热机制，确保暴胀后宇宙的热化。
• 利用观测到的希格斯质量、暴胀观测量（如标量谱指数）以及真空稳定性约束来限制模型参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 U(1)_{B-L}扩展的标准模型是否能在高达~10^10 GeV的能标下稳定电弱真空，且与观测到的希格斯质量一致？
• RQ2 在U(1)_{B-L}模型中，重暴胀子场的存在是否能产生足够的阈值修正来抑制希格斯四次耦合，从而防止真空衰变？
• RQ3 在假设BICEP2探测到的B模式极化信号为原初信号而非前景污染的前提下，该模型能否实现与BICEP2探测结果一致的高尺度暴胀？
• RQ4 在此框架下，暴胀后的再加热过程是否可行，从而导致一个热大爆炸宇宙？
• RQ5 在何种受限参数空间中，真空稳定性和成功暴胀能够共存？

主要发现

• 来自重暴胀子场的阈值修正在高能标下抑制了希格斯四次耦合，将电弱真空稳定至约10^10 GeV。
• 该模型实现了暴胀尺度接近大统一尺度的高尺度暴胀，若BICEP2的B模式信号被证实，则与之相容。
• 在暴胀尺度以上自发破缺U(1)_{B-L}提供了自然生成暴胀子势能并稳定真空的机制。
• 该模型通过暴胀子与标准模型场的耦合成功实现了再加热，确保了暴胀后宇宙的热化。
• 参数空间受到真空稳定性、暴胀观测量及观测到的希格斯质量的约束，形成一个具有预测能力的框架。