輻射シーソー模型での ヒッグスインフレーションとその ILC での検証 松井俊憲 ( 富山大学 ) 共同研究者 : 兼村晋哉 鍋島偉宏 S.Kanemura, T.Matsui, T.Nabeshima, Phys. Le9. B 723, 126(2013) 2013 年 7 月 20 日 ILC

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1 輻射シーソー模型での ヒッグスインフレーションとその ILC での検証 松井俊憲 ( 富山大学 ) 共同研究者 : 兼村晋哉 鍋島偉宏 S.Kanemura, T.Matsui, T.Nabeshima, Phys. Le9. B 723, 126(2013) 1

2 1. ~ ~ 10 万年 (10-9 GeV) 宇宙背景放射 観測 137 億年 (10-13 GeV) 現在 Big Bang 秒 (10 19 GeV) 電弱スケール 秒 (100GeV) 残された問題 [ 暗黒物質の存在 ] : 宇宙の構成要素の約 20% [ ニュートリノ質量生成機構 ] : 標準模型では質量を持たない Big Bang インフレーション - 44 電弱スケール - 10 宇宙背景放射 5 現在 9 log 10 t [sec] 2013 年 7 月 20 日 2 ILC 夏の合宿 2013

3 BIG- BANG HIGGS- INFLATION EXTENTION & RESULT PHENOMENOLOGY 標準宇宙論 標準宇宙論 : 膨張する宇宙の発展を説明するのに成功した理論 フリードマン方程式: H H2 = 8 G 3 k a2 a : ハッブルパラメーター, a : スケールファクター, : エネルギー密度, k: 曲率 a 次の不自然さを除いて, 標準宇宙論は宇宙観測の結果を見事に説明できる [平坦性問題]: 初期宇宙は, 非 常に平坦である [地平線問題]: CMBゆらぎは, ほぼ同じ値である 光円錐 Ω 8πGρ 3H 2 時間 自然に説明できない極端な平坦さ!! 2013年 7月20日 光円錐の外側で性質がほとんど同じ!! ILC夏の合宿2013 3

4 インフレーションシナリオ : 宇宙最初期の指数関数的発展で解決できる ρ Λ Λ 8πG フリードマン方程式 : H a a : ρ が定数として振る舞う場合 a H 2 = 8 G 3 k 0 : ハッブルパラメーター, : スケールファクター, : エネルギー密度, k: 曲率 a Λ = exp( Λ 3 t) Guth(1981), Sato(1981) [ スローロールインフレーション ]: インフラトンと呼ばれるスカラー粒子 φ で説明される 典型的なポテンシャル Linde(1981) スローロール条件 ε 1 2 M P 2 (V '/V ) 2 <<1 η M P 2 V ''/V <<1 宇宙観測から制限により, 検証可能なインフレーションのシナリオである 2013 年 7 月 20 日 4 ILC 夏の合宿 2013

5 2. ヒッグスインフレーションシナリオ インフラトン = ヒッグスボソン ヒッグスボソンの質量 : スローロール条件 : CMB 温度揺らぎ : m h =126GeV ε 1 M 2 η M 2 2 P (V '/V ) 2 <<1 P V ''/V <<1 P R =(2.430 ± 0.091) 10-9 WMAP 最小模型 The Standard Model Higgs boson as the inflaton ヒッグス場と重力の結合項を導入する 宇宙観測からの制限 F. L. Bezrukov, M. Shaposhnikov, Phys. Le9. B 659, 703 (2008) 1う L = L SM 2 M PR 2 h 2 R R: リッチスカラー : ヒッグス場と重力の結合定数は非常に大きい! ヒッグスインフレーションの可能性に期待できる 5

6 真空安定性の問題 結合定数 λ は, エネルギースケール μ に依存する 繰り込み群方程式を計算すると結合定数のエネルギー依存性が得られる 電弱スケール μ EW では λ(μ EW )=0.262 であるが, μ~10 10 GeV 付近で λ(μ)=0 となり, 真空が安定でなくなる 標準模型のHiggsポテンシャルでは, インフレーションスケール M P まで真空が安定であることは難しい ξ GeV Higgs ボソンの結合定数 λ(μ) 安定 m h =126GeV, m t =173.2GeV GeV 準安定 不安定 ( ) ユニタリティー性からも難しい エネルギースケール μ[gev] J.Elias- Miro et al, Phys. Lett. B 709, 222 (2012) 6

7 Our Model 3. 輻射シーソー模型への拡張 Z 2 対称性を課した二重項場 Φ 2 と右巻きニュートリノν R を新たに導入する Z 2 対称性によりループレベルでニュートリノ質量が 最も軽い中性粒子が暗黒物質として説明できる Z 2 - even 構成粒子 h, H, A, H±, ν R Z 2 - odd 今回 A が暗黒物質 E.Ma, PRD73, (2006) このシナリオの枠組みで インフレーションを同時に説明する 付加的なスカラーボソンの効果で 真空安定性を解決できる 真空安定性を満たし スローロール条件と暗黒物質の残存量 直接検出実験 ニュートリノ振動実験が説明できるパラメーター領域を発見した 特徴的な質量スペクトル m h = 126GeV m H 128GeV m A 138GeV m H ± m A + 40GeV m A 7

8 4. 加速器実験での検証方法 LHC での検証 LHC での優勢な過程は AH 生成 この文献では A と H の質量差を [100, 70, 50, 10]GeV にとっている E.Dolle, X.Miao, S.Su, B.Thomas, PRD81, (2010) A H H 結果では 質量差が小さいとき断面積はトータルの標準模型バックグラウンドに対して非常に小さくなる 我々のシナリオでは H と A の質量差はほとんど縮退しているので LHC で検証するのは難しいといえる 8

9 荷電スカラーボソン対生成過程 ILC での検証 2 ジェットエネルギーの分布 15GeV<E jj <94GeV s = 500GeV 2 ジェットエネルギーは運動学的に見積もることができる m A = 130GeV m H ± = 173GeV エネルギー分布のエンドポイントを見ることで検証できる また H ± が検出できAH 生成が検出できなかったら AとHの質量はほとんど同じであると理解できる 9 m H m A

10 結論 ヒッグスインフレーションの最小模型では 真空安定性を満たすことが難しい 輻射シーソーの枠組みでは ニュートリノ質量 暗黒物質だけでなく インフレーションも同時に説明することが可能である このシナリオの特徴的な質量スペクトルは ILC で検証することができる 10

11 Back Up 11

12 The Standard Model Higgs boson as the inflaton F. L. Bezrukov, M. Shaposhnikov, Phys. Le9. B 659, 703(2008) Conformal translaoon: EW symmetry breaking at 10 2 GeV Infraoon at h>>m P / ξ~10 17 GeV 2013 年 7 月 20 日 ILC 夏の合宿

13 Planck 実験の結果 ヒッグスインフレーション : n 0.97 r arxiv: [astro- ph.co] 13

14 ( ) ユニタリティーの問題 C.P.Burgess et al., JHEP 0909, 103(2009) グラビトン交換のスカラー散乱振幅 : 1/E 2 A 4,tree = =ξ 2 E 2 /m 2 P ξe 2 /m P ξe 2 /m P A 4,tree 1 m P /ξ m P E R = µ ν γ µν m P R: リッチスカラー γ μν : グラビトン プランクスケールまでにユニタリティーが破れる : Λ~m P /ξ ; ξ=o(10 4 ) 14

15 The result of unitality prablem Introducing singlet scalar field σ G.F.Giudice, H.M.Lee, Phys.Le9.B 694, 294(2011) + Cougling of φ : ζ ζ=o(1) Λ~m P /ζ=m P σ Coupling of : ξ=o(10 4 ) σ σ σ σ + σ σ σ σ Cancelaoon We can explain unol inflaoon scale. 15

16 Vacuum stability of Two Higgs Doublet Model S.Kanemura, T.Kasai, Y.Okada, PLB471, 182(1999) Λ=10 19 GeV This region is possible Higgs mass to explain unol Planck scale with m h =126GeV. 16

17 イナート二重項模型での場合 N. G. Deshpande, E. Ma, Phys. Rev. D 18, 2574(1978) 真空安定性の解決 Z 2 対称性を課したΦ 2 ( イナート二重項場 ) を導入 この項の寄与により インフレーションスケールまで安定な真空にできる インフラトンとしてのヒッグス場の振る舞い 標準模型的ヒッグスボソン 4 次結合の β 関数に付加的なスカラーボソンの結合定数の項が加わる S.Kanemura, T.Kasai, Y.Okada, arxiv: [hep- ph] 2 つのヒッグス場 (Φ 1, Φ 2 ) がインフラトンとして振る舞う描像 先行研究では 片方のヒッグス場のみがインフラトンとなる特殊な場合のみ議論されていた J.- O.Gong, H.M.Lee, S.K.Kang, JHEP 1204, 128(2012) 17

18 イナート二重項模型での ヒッグス-インフレーションへの応用 V = V + M P 2 2HDM 2 R + (ξ 1 Φ 1 2 先行研究 : J.- O.Gong, H.M.Lee, S.K.Kang, JHEP 1204, 128(2012) + ξ 2 Φ 2 2)R h 2, θ tan - 1 r h 1 V(φ,θ,r 0 ) ポテンシャル V の r 方向の安定点 r 0 で転がるインフラトンのポテンシャル 解 r 0 = 有限, 0, r インフラトン場の初期条件 r 方向のポテンシャル r 0 φ, θ 方向のポテンシャル r r 0, θ, θ rの有限解は, 複数のインフラトン 0, であれば, Φ 1 かΦ 2 の片方のみ 先行研究では, 後者のみ説明している 18

19 輻射シーソー模型 ニュートリノ質量 k (Y ) k i (Y )k j M k R v 2 (M k R )2 (Y ) k i (Y )k j M k R O(10 7 )GeV M k R O(10 3 )GeV (Y ) k i O(10 2 ) M k R O(10 7 )GeV (Y ) k i O(1) 19

20 インフレーションからの制限 真空安定性条件 (μ= GeV): トリビアリティーバウンド : λ i (µ inf ) 2π(i =1 ~ 5) CMB 温度揺らぎ : 結合定数のランニングに置いてこれらの条件を課す µ inf =10 17 GeV インフラトンとして CP- odd スカラーボソン A に課される CMB からの制限 : 複数のヒッグス場がインフラトンとして振る舞う条件 : DM 直接検出実験を満たすために要求される : EWからインフレーションスケールまで AとHの質量がほぼ縮退する aλ 2 (µ inf ) [λ 3 (µ inf ) + λ 4 (µ inf )] O(10 6 ) が保たれ 20

21 暗黒物質からの制限 DM 直接検出実験 XENON100, PRL109, (2012) H µ EW =10 2 GeV SM DM 残存量 : Ω DM h 2 =0.1138± WMAP 5(µ EW ) 10 6 Bolzmann 方程式を解くと 128GeV <m A ( m H ) < 138GeV 21

22 RGE analysis λ 2 m t =173.5GeV, α s = λ 1 λ 3 - λ 4 付加的なスカラーボソンの効果 λ 5 Higgs self couplings: SM- like Higgs boson μ[gev] Scalar boson Top quark gauge coupling & top Yukawa coupling 1 β(λ i ) = µ λ i µ K.Inoue et al., Prog. Theor. Phys. 63, 234(1980) 22

23 制限を満たす特徴的な質量スペクトル 繰り込み群方程式の解析結果 10 2 GeV GeV λ λ λ λ λ λ 5 λ 2 λ 1 λ 3 - λ 4 付加的なスカラーボソンの効果 m t =173.5GeV, α s = 質量公式 m h = 126GeV m H m A μ[gev] 128GeV m A 138GeV m H ± m A + 40GeV すべての制限を満たす特徴的な質量スペクトル 23

24 Testability at the LHC s = 14TeV m A A H Dominant process H 1 m H ± m A 2 m H m A L AH AH LevelⅠ Cuts LevelⅡ Cuts E.Dolle, X.Miao, S.Su, B.Thomas, PRD81, (2010) Because the masses of H and A degenerate, it is difficult to test at the LHC. 24

25 Testability at the LHC s = 14TeV L = 100fb 1 E.Dolle, X.Miao, S.Su, B.Thomas, PRD81, (2010) LevelⅢ Cuts 25

26 Testability at the LHC s = 14TeV L = 300fb 1 Q.H.Cao, E.Ma, G.Rajasekaran, PRD76,095011(2007) H A A 26

27 27

28 崩壊分岐比 ヒッグス 3 点結合

29 崩壊分岐比 h γγ λ 3 v 2 2m H ± 2 標準模型 ~95% m W =80.2GeV, m t =173GeV, m h ~126GeV, m H± ~173GeV P.Posch, Phys. Le9. B 558, 157(2003) 2012/12/2 新ヒッグス勉強会第四回定例会 29

30 λ hhh 0.01 m t =173GeV, m h ~126GeV, m h ~130GeV, m A ~m H ~130GeV, m H ~173GeV 2012/12/2 新ヒッグス勉強会第四回定例会 30

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