[论文解读] Pseudo periodic Higgs inflation

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

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出了一种伪周期性希格斯 inflation 模型——大质量自然 inflation（MNI）——通过带有可调质量、振幅（u）和频率（β）的傅里叶调制势，实现无限组非简并的极小值。利用 PLANCK 数据，该模型在大-β 区域唯一确定了参数，并表明宇宙学尺度的参数不影响电弱尺度物理，从而实现了与正确希格斯质量数量级一致的低能完备化。

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.

研究动机与目标

• 探讨希格斯场是否可作为 inflaton，同时与宇宙学和电弱尺度物理保持一致。
• 通过提出一个物理上合理、结构化的势能，回应关于膨胀势能是否必须人为设定的争论。
• 证明 MNI 模型能够一致地整合至电弱尺度的高能模式。
• 表明 MNI 模型中宇宙学尺度的参数选择不影响电弱尺度的结果。
• 通过模型的低能完备化，实现正确数量级的希格斯质量预测。

提出的方法

• 构建一个包含常数项、显式质量项以及振幅为 u、频率为 β 的傅里叶调制项的势能，以生成无限组非简并的极小值。
• 应用慢滚近似分析膨胀动力学，从势能形状推导出膨胀条件。
• 利用 PLANCK 2018 数据，在大-β 区域约束三个可调参数（质量、u、β）。
• 执行至电弱尺度的高能模式积分，确保跨能量尺度的一致性。
• 将模型得到的希格斯质量预测与观测值进行比较，确认其数量级一致。
• 采用解析方法证明电弱尺度物理独立于宇宙学尺度的参数选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有结构化极小值的伪周期性希格斯势是否能支持可行的慢滚膨胀？
• RQ2 在大-β 极限下，是否能利用 PLANCK 数据唯一确定此类模型的参数？
• RQ3 MNI 模型中宇宙学尺度的参数选择是否会影响电弱尺度的预测？
• RQ4 MNI 模型在低能完备化后是否能产生与观测一致的希格斯质量？
• RQ5 MNI 模型是否适合整合至电弱尺度的高能模式，同时保持一致性？

主要发现

• MNI 模型通过 PLANCK 数据在大-β 区域唯一确定了其三个可调参数——质量、振幅 u 和频率 β。
• 该模型的宇宙学尺度参数不影响电弱尺度的结果，确保了尺度分离。
• 具有无限非简并极小值的势能结构，为自然且可解析处理的膨胀框架提供了基础。
• 在 MNI 模型中，从电弱尺度到高能模式的积分是可行且一致的。
• 在低能完备化后，该模型的希格斯质量预测与观测值的数量级一致。
• 其他模型可能具有类似特性，但 MNI 模型唯一实现了完整且一致的低能延拓。