[论文解读] The Standard model Higgs as the inflaton

Fedor Bezrukov|ArXiv.org|May 15, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用 9

一句话总结

该论文提出，通过与引力的极大非最小耦合（$\xi \gg 1$），标准模型的希格斯玻色子可作为暴胀子，驱动混沌暴胀而无需引入新物理。该模型预测标量扰动的谱近乎尺度不变，张量与标量比极小（$r \approx 0.0033$），与WMAP-5观测结果一致，同时在低能下保持电弱物理不变。

ABSTRACT

We describe how non-minimal coupling term between the Higgs boson and gravity can lead to the chaotic inflation in the Standard Model without introduction of any additional degrees of freedom. Produced cosmological perturbations are predicted to be in accordance with observations. The tensor modes of perturbations are practically vanishing in the model.

研究动机与目标

• 证明标准模型希格斯玻色子可通过与引力的非最小耦合驱动暴胀，而无需引入新场。
• 表明由此产生的宇宙微扰谱与当前CMB观测结果一致，特别是WMAP-5数据。
• 论证量子修正不会破坏慢滚暴胀所需的平坦势能。
• 确立尽管耦合较大，电弱能标下的物理仍保持不变。

提出的方法

• 使用乔丹框架作用量，引入非最小耦合项 $\xi H^† H R$，将希格斯场与引力耦合。
• 应用共形变换，将理论映射至爱因斯坦框架，引入希格斯场的非最小动能项。
• 通过场重新定义引入新标量场 $\chi$，以捕捉大场区域的动力学行为。
• 在爱因斯坦框架中计算有效势 $U(\chi)$，表明当 $\chi \gg M_P/\sqrt{\xi}$ 时，该势能近似平坦。
• 利用慢滚近似推导谱指数 $n_s$ 与张量与标量比 $r$ 的预测，采用 $N=60$ 个退相干数。
• 分析一阶量子圈修正，表明其被抑制且不会破坏平坦势能。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠标准模型希格斯玻色子能否通过与引力的非最小耦合产生混沌暴胀？
• RQ2 由此产生的暴胀模型是否产生与WMAP-5观测一致的宇宙微扰？
• RQ3 特别是来自标准模型费米子和规范玻色子的量子修正，是否足以破坏慢滚暴胀所需的平坦势能？
• RQ4 该模型在高能下实现暴胀的同时，是否仍保持观测到的电弱能标物理？
• RQ5 宇宙学可观测量能否约束非最小耦合参数 $\xi$？

主要发现

• 该模型预测标量谱指数为 $n_s \approx 0.97$，与WMAP-5观测的 $1\sigma$ 置信区域一致。
• 张量与标量比预测值为 $r \approx 0.0033$，表明原初引力波极弱。
• 在爱因斯坦框架中，当 $\chi \gg M_P/\sqrt{\xi}$ 时，有效势能近似平坦，从而实现慢滚暴胀。
• 标准模型费米子的辐射修正受汤川耦合与规范耦合抑制，不会破坏势能的平坦性。
• 为避免暴胀前真空中不稳定，希格斯粒子质量被限制在 $130\,\text{GeV} < M_H < 190\,\text{GeV}$ 的窗口内。
• 该模型避免在电弱与普朗克尺度之间引入新物理，因仅靠希格斯场本身即可实现暴胀。