[논문 리뷰] Pseudo periodic Higgs inflation

István Gábor Márián, Nicolò Defenu|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 29.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 조정 가능한 질량, 진폭(u), 주파수(β)를 가진 푸리에 변형된 포텐셜을 통해 무한한 비퇴화 최소값을 갖는 가짜 주기적 힉스 인플레이션 모델—질량 있는 자연 인플레이션(MNI)—을 제안한다. PLANCK 데이터를 활용해 대주파수(β) 영역에서 모델의 매개변수를 유일하게 고정시키며, 우주 스케일 물리량이 전기약력 스케일 물리량에 영향을 주지 않음을 보여주어, 정확한 힉스 질량의 주요 순서를 갖는 일관된 저에너지 완성 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

Inflationary cosmology represents a well-studied framework to describe the expansion of space in the early universe, as it explains the origin of the large-scale structure of the cosmos and the isotropy of the cosmic microwave background radiation. The recent detection of the Higgs boson renewed research activities based on the assumption that the inflaton could be identified with the Higgs field. At the same time, the question whether the inflationary potential can be be extended to the electroweak scale and whether it should be necessarily chosen ad hoc in order to be physically acceptable are at the center of an intense debate. Here, we perform the slow-roll analysis of the so-called Massive Natural Inflation (MNI) model which has three adjustable parameters, the explicit mass term, a Fourier amplitude u, and a frequency parameter $\beta$, in addition to a constant term of the potential. This theory has the advantage to present a structure of infinite non-degenerate minima and is amenable to an easy integration of high-energy modes. We show that, using PLANCK data, one can fix, in the large $\beta$-region, the parameters of the model in a unique way. We also demonstrate that the value for the parameters chosen at the cosmological scale does not influence the results at the electroweak scale. We argue that other models can have similar properties both at cosmological and electroweak scales, but with the MNI model one can complete the theory towards low energies and easily perform the integration of modes up to the electroweak scale, producing the correct order-of-magnitude for the Higgs mass.

연구 동기 및 목표

• 힉스 장이 인플레이션 장으로서 작용할 수 있는지, 동시에 우주론적 물리량과 전기약력 스케일 물리량과 일관되는지 탐구하는 것.
• 인플레이션 포텐셜이 반드시 인위적인가에 대한 논의를 해결하기 위해 물리적으로 타당하고 구조적인 포텐셜을 제안하는 것.
• MNI 모델이 고에너지 모드를 전기약력 스케일까지 일관되게 통합할 수 있음을 보여주는 것.
• MNI 모델에서 우주 스케일 매개변수 선택이 전기약력 스케일 결과에 영향을 주지 않음을 보여주는 것.
• 저에너지 완성을 통해 정확한 주요 순서의 힉스 질량 예측을 달성하는 것.

제안 방법

• 상수 항, 명시적 질량 항, 그리고 진폭 u와 주파수 β를 가진 푸리에 변형된 항을 포함하는 포텐셜을 구성하여 무한한 비퇴화 최소값을 생성한다.
• 슬로우롤 근사를 적용하여 인플레이션 역학을 분석하고, 포텐셜의 형태에서 인플레이션 조건을 유도한다.
• 대주파수 영역에서 PLANCK 2018 데이터를 사용해 세 가지 조정 가능한 매개변수(질량, u, β)를 제약한다.
• 전기약력 스케일까지 고에너지 모드 통합을 수행하여 에너지 스케일 간의 일관성을 확보한다.
• 모델에서 도출된 힉스 질량 예측을 관측된 값과 비교하여 주요 순서의 일치를 확인한다.
• 해석적 기법을 사용하여 전기약력 스케일 물리량이 우주 스케일 매개변수 선택과 독립적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조적인 최소값을 가진 가짜 주기적 힉스 포텐셜이 타당한 슬로우롤 인플레이션을 지지할 수 있는가?
• RQ2 대주파수 근처에서 PLANCK 데이터를 사용해 이러한 모델의 매개변수를 유일하게 고정할 수 있는가?
• RQ3 MNI 모델에서 우주 스케일 매개변수 선택이 전기약력 스케일 예측에 영향을 주는가?
• RQ4 MNI 모델이 저에너지 완성을 거쳐 관측 결과와 일치하는 힉스 질량을 도출할 수 있는가?
• RQ5 MNI 모델이 전기약력 스케일까지 고에너지 모드를 통합하면서 일관성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• MNI 모델은 대주파수 영역에서 PLANCK 데이터를 통해 세 가지 조정 가능한 매개변수—질량, 진폭 u, 주파수 β—를 유일하게 고정한다.
• 모델의 우주 스케일 매개변수는 전기약력 스케일 결과에 영향을 주지 않으며, 스케일 분리가 보장된다.
• 무한한 비퇴화 최소값을 가진 포텐셜 구조는 자연스럽고 해석적으로 다룰 수 있는 인플레이션 프레임워크를 가능하게 한다.
• 전기약력 스케일까지의 고에너지 모드 통합은 MNI 모델 내에서 실현 가능하고 일관된다.
• 저에너지 완성 후 모델은 정확한 주요 순서의 힉스 질량 예측을 도출한다.
• 다른 모델들도 유사한 특성을 가질 수는 있지만, MNI 모델만이 완전하고 일관된 저에너지 확장을 가능하게 한다.