[논문 리뷰] Simple brane-world inflationary models in light of BICEP2

Nobuchika Okada, Satomi Okada|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 14.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 46인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 BICEP2의 B모드 검출을 바탕으로 단순한 브레인 월드 인플레이션 모델을 조사하며, 5차원 플랑크 질량 $M_5$가 텐서 대 스칼라 비율 $r$를 증가시켜 표준 우주론에서 작은 $r$를 예측하는 모델들이 BICEP2의 $r = 0.2^{+0.07}_{-0.05}$를 만족시킬 수 있음을 보여준다. $M_5 \sim 10^6$ GeV일 경우, $\mathcal{O}(100)$ GeV 수준의 인플라톤 질량이 일관된 예측을 가능하게 하며, 힉스와의 양자역학적 결합을 통해 재열과 암흑물질 통합이 가능하다.

ABSTRACT

Motivated by the recent CMB $B$-mode observation announced by the BICEP2 collaboration, we study simple inflationary models in the Randall-Sundrum brane-world cosmology. Brane-world cosmological effects alter the inflationary predictions of the spectral index ($n_s$) and the tensor-to-scalar ratio ($r$) from those obtained in the standard cosmology. In particular, the tensor-to-scalar ratio is enhanced in the presence of the 5th dimension, and simple inflationary models which predict small $r$ values in the standard cosmology can yield $r$ values being compatible with the BICEP2 result, $r=0.2^{+0.07}_{-0.05}$. Confirmation of the BICEP2 result and more precise measurements of $n_s$ and $r$ in the near future allow us to constrain the 5-dimensional Planck mass ($M_5$) of the brane-world scenario. We also discuss the post inflationary scenario, namely, reheating of the universe through inflaton decay to the Standard Model particles. When we require the renormalizability of the inflationary models, the inflaton only couples with the Higgs doublet among the Standard Model fields, through which reheating process occurs. If $M_5$ is as low as $10^6$ GeV, the mass of inflaton becomes of ${\cal O}$(100 GeV), providing the inflationary predictions being consistent with the BICEP2 and Planck results. Such a light inflaton has some impacts on phenomenology at the electroweak scale through the coupling with the Higgs doublet.

연구 동기 및 목표

• 표준 인플레이션 모델이 4차원 우주론에서 작은 $r$를 예측하는 데 반해 BICEP2가 관측한 $r = 0.2^{+0.07}_{-0.05}$와의 조화를 이루는 것.
• 랜달-선드룸 II 모델을 통해 브레인 월드 우주론이 비표준 프리드만 방정식을 통해 $n_s$와 $r$의 인플레이션 예측을 어떻게 수정하는지 조사하는 것.
• BICEP2-플랑크 간의 갈등을 고려하여 향후 정밀 측정을 통해 5차원 플랑크 질량 $M_5$를 제약 조건에 둔다는 것.
• 인플레이션 후 재열 메커니즘을 탐색하며, 특히 힉스 포털 결합을 통한 표준모형 입자로의 인플라톤 붕괴에 초점을 맞추는 것.
• 전기약력 스케일 근처의 가벼운 인플라톤($\mathcal{O}(100)$ GeV)의 현상학적 함의를 검토하는 것—예를 들어 힉스 붕괴 분율 증가 또는 암흑물질 통합 가능성을 포함.

제안 방법

• 랜달-선드룸 브레인 월드 프레임워크 내에서 교과서적 인플레이션 모델(이차, 사차, 힉스, 콜레먼-바이너그 포텐셜)을 분석한다.
• RS II 모델의 수정된 프리드만 방정식을 적용하여 $M_5$를 자유 매개변수로 두고 인플레이션 관측량 $n_s$와 $r$을 계산한다.
• 인플라톤 질량과 $M_5$ 사이의 관계 $m \simeq 10^{-4} M_5$를 도입하여 BICEP2 및 플랑크 데이터와의 일관성을 확보한다.
• 재규격화 가능성을 요구하여 인플라톤 결합을 힉스 두중에 국한시키며, 이는 $s$-채널 힉스 교환을 통한 재열을 지배한다.
• 재열 온도를 $\Gamma_h \simeq H(T_{\rm RH}) \simeq \rho(T_{\rm RH}) / (6M_5^3)$를 통해 추정하여 $T_{\rm RH} \simeq 2.9 \times 10^4$ GeV를 도출한다.
• BICEP2 및 플랑크의 제약 조건을 평가하며, 특히 $r \simeq 0.2$와 플랑크의 $r < 0.11$ 간의 갈등을 고려하고, $\alpha \simeq -0.022$의 변화하는 스펙트럼 지수를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 우주론에서 작은 $r$를 예측하는 단순한 브레인 월드 인플레이션 모델이 BICEP2의 $r \simeq 0.2$ 결과를 재현할 수 있는가?
• RQ2 5차원 플랑크 질량 $M_5$는 브레인 월드 인플레이션에서 텐서 대 스칼라 비율 $r$에 어떤 영향을 미치며, 관측 결과와 일치하는 $M_5$의 값은 무엇인가?
• RQ3 BICEP2 및 플랑크 측정 결과와의 일관성을 유지하면서 $M_5 \sim 10^6$ GeV일 때 가능한 최소 인플라톤 질량은 얼마인가?
• RQ4 히iggs 포털 결합은 재규격화 가능한 모델에서 인플레이션 후 재열을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 전기약력 스케일 근처의 가벼운 인플라톤($\mathcal{O}(100)$ GeV)이 향후 실험에서 관측 가능한 현상학적 결과를 낳을 수 있는가—예를 들어 힉스 붕괴의 증가 또는 암흑물질 통합 가능성을 포함하여?

주요 결과

• 브레인 월드 우주론에서 5차원 부스러기의 영향으로 텐서 대 스칼라 비율 $r$가 증가하여, 표준 우주론에서 작은 $r$를 예측하는 모델들이 BICEP2의 $r = 0.2^{+0.07}_{-0.05}$를 만족시킬 수 있다.
• $M_5 \sim 10^6$ GeV일 경우, $\mathcal{O}(100)$ GeV 수준의 인플라톤 질량이 BICEP2 및 플랑크 데이터와 일관된 인플레이션 예측을 제공한다.
• $m \simeq 10^{-4} M_5$의 관계는 모든 테스트된 모델에서 인플레이션 관측량과 관측 제약 조건 간의 일관성을 보장한다.
• 재열은 힉스 포털을 통해 인플라톤이 힉스 보손으로 붕괴함으로써 발생하며, 재열 온도는 $T_{\rm RH} \simeq 2.9 \times 10^4$ GeV로 열역학적 평형에 충분하다.
• 히iggs 보손이 인플라톤 쌍으로 붕괴할 확률이 1% 수준일 수 있으며, 이는 향후 고에너지 물리 실험에서 검증 가능하다.
• BICEP2와 플랑크 결과를 가장 잘 조화시키는 것은 힉스 포텐셜 및 콜레먼-바이너그 포텐셜 모델이며, 브레인 월드 효과가 약간일 경우($V/\rho_0 \lesssim 1$)에 해당한다. 이는 $r$ 갈등을 고려할 때 가장 타당하다.