[论文解读] Imprints of the Standard Model in the Sky: Gravitational Waves from the decay of the Higgs after inflation

Daniel G. Figueroa|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文提出，暴胀之后，标准模型希格斯玻色子通过非微扰衰变产生引力波，该希格斯玻色子与费米子及规范玻色子耦合。由此产生的引力波背景在频谱上呈现出粒子耦合的印记，其中耦合最强的组分——主要是顶夸克——主导了信号，为探测当前加速器无法触及的高能物理提供了途径。

ABSTRACT

The existence of the Standard Model (SM) Higgs implies that a gravitational wave (GW) background is generated by the decay products of the Higgs, soon after the end of inflation. Theoretically, all Yukawa and $SU(2)_L$ gauge couplings of the SM are imprinted as features in the GW spectrum. In practice, the signal from the most strongly coupled species dominates, rendering inaccesible the information on the other species. If detected, this background could be used for measuring properties of high-energy particle physics, including beyond the SM. To achieve this goal, new high frequency GW detection technology is required, beyond that of currently planned detectors.

研究动机与目标

• 研究暴胀后标准模型希格斯玻色子非微扰衰变产生引力波背景的机制。
• 确定标准模型粒子的汤川耦合与SU(2)L规范耦合如何在引力波谱中留下印记。
• 评估这些引力波特征的可探测性及其在探测高能粒子物理方面的潜力。
• 识别对引力波信号贡献最大的组分，特别是由于其强耦合而占主导的顶夸克。
• 强调需要发展新型高频引力波探测技术以观测这一背景。

提出的方法

• 将暴胀后的希格斯粒子建模为在有效势最小值附近振荡的轻标量场。
• 计算希格斯衰变产物的动量-张量的横向无迹部分，作为引力波的源。
• 利用线性化引力理论推导引力波功率谱，考虑通过参量共振实现的非微扰粒子产生。
• 利用有效耦合强度和希格斯衰变宽度估算引力波振幅，重点关注费米子和规范玻色子的贡献。
• 应用标度论证与数值估算，确定引力波背景的谱形与峰值频率。
• 评估顶夸克贡献的主导性，因其具有较大的汤川耦合，而SU(2)L规范玻色子贡献为次级。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀后标准模型希格斯玻色子的衰变能否产生可探测的引力波背景？
• RQ2 标准模型粒子的汤川耦合与SU(2)L规范耦合如何在引力波谱中留下印记？
• RQ3 哪种粒子种类主导了引力波信号，其主导性由什么决定？
• RQ4 这一引力波背景对探测超越当前对撞机能力的高能物理具有何种意义？
• RQ5 需要何种技术进步才能探测这一高频引力波背景？

主要发现

• 由于希格斯玻色子在暴胀后发生非微扰衰变，产生了引力波背景。
• 所有标准模型耦合——包括汤川耦合与SU(2)L规范耦合——均在引力波谱中留下印记，但顶夸克因具有较大的汤川耦合而占主导地位。
• 引力波背景的峰值振幅估计为 $ h^2\Omega_{\rm GW}^{\rm (p)} \sim 10^{-14} $，具体取决于顶夸克的汤川耦合强度。
• 谱峰位于频率 $ f \sim 10^3 $ Hz 附近，对应于顶夸克产生时的能量尺度。
• SU(2)L规范玻色子可能增强信号，但由于其频率尺度相近，不太可能产生可分辨的独立峰。
• 顶夸克的衰变宽度太小，不会影响引力波的产生，从而确认信号主要由非微扰粒子产生决定。