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Flat potential and Higgs inflation 濱田雄太(京都大学) 共同研究者 川合光(京都) 尾田欣也(大阪) Seong Chan ParkSungkyunkwan2014/05/27 富山大学 arXiv:1210.2538(PRD), 1308.6651(PTEP), 1403.6141(PRL), 1404.6141

濱田雄太(京都大学) - u-toyama.ac.jpFlat potential and Higgs inflation 濱田雄太(京都大学) 共同研究者 川合光(京都) 尾田欣也(大阪) Seong

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Flat potential and

Higgs inflation濱田雄太(京都大学)

共同研究者川合光(京都)

尾田欣也(大阪)Seong Chan Park(Sungkyunkwan)

2014/05/27 富山大学arXiv:1210.2538(PRD), 1308.6651(PTEP), 1403.6141(PRL), 1404.6141

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Discovery of Higgs boson

mh~126GeV Consistent with SM Higgs

[Strumia et. al. ‘13]

2

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Planck

[Planck ‘13]

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BICEP2:B-mode detection

If this is true, inflation scale is determined!!

[BICEP2 ‘14]B-mode polarization of CMB

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CAUTION•Foreground emissions are larger than expected by BICEP?

•We need to wait for other results such as Planck.

Adam Falkowski’s blog

[Seminar at Princeton by Raphael Flauger, 1405.5857 by Mortonson and Seljak]

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Today’s topic• We consider scenario where SM is valid toward very high scale Λ such as string scale~1017-18GeV.

• pursue possibility that Higgs is inflaton.

• We show SM potential is flat around 1017GeV.• propose Higgs inflation scenario where λ~βλ~0 plays crucial role.

• discuss implications of our scenario on Higgs portal DM.

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Plan

1. Review of inflation2. Flat potential and Higgs inflation3. Z2 scalar DM mass prediction

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Plan

1. Review of inflation2. Flat potential and Higgs inflation3. Z2 scalar DM mass prediction

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Inflation• Inflation solves several problems.

• Flatness problem• Horizon problem

• Inflation can generate density perturbation.• Generate by quantum fluctuation of inflaton• Predictive and good agreement with observation

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Slow roll inflation•Flat potential realize exponential expansion.

•Flatness of potential is characterized by slow roll parameters.

•Expansion is given by e-foldings.

[Picture from web]

for successful inflation

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Scalar and tensor perturbationscalar perturbation tensor perturbation

Knowing As(Planck) and r(BICEP2) Inflation scale!!

spectral index

tensor to scalar ratio

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Observations

[BICEP ’14]

[Planck ’13]

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Plan

1. Review of inflation2. Flat potential and Higgs inflation3. Z2 scalar DM mass prediction

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RGE•We evaluate running λ using two loop RGE.

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λ~βλ~0 at high scale• If Mt=171GeV,λ=0at 1017~18GeV.

•βλ also becomes zeroat 1017~18GeV.

large mt

small mt

[YH,Kawai,Oda ‘12]

[Bezrukov .et.al.’12,Degrassi.et.al. ’12,

……… ]

[Alekhin et.al.’12]

Band : 2σ

[Tevatron]

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•By tuning Mt,SM potential isflat because λ~βλ~0.

• Inflation possible?

Higgs potential at high scale

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No! Too large As•We can realize saddle point by tuning Mt.•For sufficiently expansion N*~60,φ* needs to be close to saddle point(ε<<<1)

•As a result, too largedensity perturbation.(As>>1 in this case)

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Strategy

•So, here, we assumefor field value φ>Λ, potential is flat.

• New physics would make potential flat.

•Though it is ad-hoc assumption,we obtain useful constraint on mt and Λ.

•Later, we show explicit example of potential.

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Strategy

•So, here, we assumefor field value φ>Λ, potential is flat.

• New physics would make potential flat.

•Though it is ad-hoc assumption,we obtain useful constraint on mt and Λ.

•Later, we show explicit example of potential.

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Strategy

•So, here, we assumefor field value φ>Λ, potential is flat.

• New physics would make potential flat.

•Though it is ad-hoc assumption,we obtain useful constraint on mt and Λ.

•Later, we show explicit example of potential.

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Constraint on Mt and Λ•Scalar perturbation and observation of tensor mode give upper bound on potential.

•Potential should be monotonically increasing function to avoid graceful exit problem.(Comment:Numerically, this condition is almost equivalent to stability requirement.)

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Constraint on Mt and Λ•Scalar perturbation and observation of tensor mode give upper bound on potential.

•Potential should be monotonically increasing function to avoid graceful exit problem.(Comment:Numerically, this condition is almost equivalent to stability requirement.)

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Constraint on Mt and Λ•Scalar perturbation and observation of tensor mode give upper bound on potential.

•Potential should be monotonically increasing function to avoid graceful exit problem.(Comment:Numerically, this condition is almost equivalent to stability requirement.)

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Constraint on Mt and ΛEnlarged view

[YH,Kawai,Oda ‘13]

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Constraint on Mt and Λ•Λ<5×1017GeV•String scale appears.•Situation in whichΛ~1017GeV and inflation above Λis OK.

Enlarged view

[YH,Kawai,Oda ‘13]

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Concrete example:ξ|H|2R• Jordan frame

•Conformal transformation

•Potential becomes flat at high φ

[Bezrukov, Shaposhnikov ‘08]

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RG improvement• Where is renormalization scale μ?• Usually, μ~(effective mass of top/gauge boson).

• Prescription1(effective mass in Einstein frame)

• μ becomes constant at high field value.• Prescription2(effective mass in Jordan frame)

• We don’t know which prescription is correct.• Let’s see Higgs inflation in both descriptions.

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Higgs inflation• If λ is not small at high scale (~O(0.1)),small r is predicted.

•But, taking into account λ~0 at high scale,prediction drastically changes.

• In particular, r~O(0.1) is possible.

[Bezrukov, Shaposhnikov ‘08]

[YH,Kawai,Oda,Park ’14,Bezrukov, Shaposhnikov ‘14]

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Prescription1:saddle point•By tuning top mass, we can make saddle point.

• e-folding is earned in passing the saddle point.• Observational density perturbation corresponds to φ* above saddle point.

φ/GeV

ξ=0

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Prescription1:saddle point

Saddle pointφ*

ξ~10φ*~0.9Mplns~0.96r~0.1

φ[Mpl]

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Prescriotion2:chaotic•Around minimum

•Using canonical field in Einstein frame

•Potential becomes

•Putting into SM value, if ξ~100,quadratic chaotic inflation and ns~0.96,r~0.15

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Plan

1. Review of inflation2. Flat potential and Higgs inflation3. Z2 scalar DM mass prediction

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Z2 scalar dark matter•Add gauge singlet real scalar DM S.

• Z2 charge: SM particle is even. S is odd.

•S modifies βλ. At one-loop level,

•λ is larger than λSM at high scale.Positive contribution

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Modification•DM also modifies scalewhere βλ=0.

•DM helps stability ofHiggs potential.

•Central value Mt=173GeV is OKfor κ0~0.25

κ0=κ(mweak)

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Constraint on mDM•mDM and Mt arecorrelated.

•mDM<1000GeV• If we further imposesaddle point at 1017GeV,DM mass is 400~470GeV.

[YH,Kawai,Oda ‘14]

ρ0=ρ(mweak)

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Test

[Cline et. al. ‘13]

Prediction can be tested by XENON.

Log10(mDM/GeV)

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Summary•We consider scenario where SM is valid up to string scale~1017GeV.

• find SM potential is flat around 1017GeV.•propose Higgs inflation scenario where λ~βλ~0 plays crucial role.

• In this scenario, Z2 scalar DM mass is constrained depending on Mt:mDM<1000GeV or 400GeV<mDM<470GeV.