Aspects of Higgs Inflation

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1288-0
Title: Aspects of Higgs Inflation
Author: Enckell, Vera-Maria
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-11-08
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1288-0
http://hdl.handle.net/10138/306185
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The earliest stage in the history of the universe is successfully modelled by cosmic inflation, a period of nearly exponential expansion. Due to inflation, the universe became spatially flat, old, and statistically homogeneous with small inhomogeneities in the energy density that later acted as seeds of structure. In the simplest scenario, inflation is driven by a scalar field, the inflaton. In the Standard Model (SM) of particle physics the Higgs boson is the only fundamental scalar field, which makes it an interesting candidate for the inflaton. However, pure SM Higgs potential does not produce the requirement amount of inflation. Instead, successful inflation can be obtained by adding a large non-minimal coupling between the Higgs and gravity which effectively flattens the potential and allows for an extended period of inflation. This is known as the Higgs inflation model. The effective theory of non-minimally coupled Higgs and gravity is non-renormalisable and breaks perturbative unitarity at an energy step below the inflationary regime. This prevents the use of perturbative quantum field theory methods in running the couplings up to the inflationary scales. It has been proposed, however, that effects of the non-perturbative or the non-renormalisable physics below the inflationary scale could be parametrised by threshold corrections which amount to undetermined jumps in couplings of the model. This leaves basically three parameters determining the Higgs inflation potential: the jumps in the Higgs self-interaction and the top Yukawa couplings and the strength of the non-minimal coupling between the Higgs and gravity. In addition to these free parameters, the choice of the gravitational degrees of freedom, or the choice between the metric or the Palatini formulations, affects predictions of Higgs inflation. This thesis consists of three articles investigating the robustness of Higgs inflation predictions. By varying the three aforementioned parameters both in the metric and Palatini formulations one can construct different kinds of features in the inflationary potential which widen the range of predictions of Higgs inflation. We also consider the combined Higgs-Starobinsky model of inflation that is motivated by quantum corrections. This analysis is performed in the metric formalism. Detailed understanding of Higgs inflation predictions is crucial in contrasting the scenario against future observations of the Cosmic Microwave Background and gravitational waves which may favour some realisations of Higgs inflation and rule out others. This may help to understand the microscopical mechanism of inflation, and, if the Higgs really is the inflaton, also shed new light to the high energy behaviour of the SM coupled to gravity.Maailmankaikkeuden varhaisin vaihe selittyy menestyksekkäästi lähes eksponentiaalisen laajenemisen jaksolla eli kosmisella inflaatiolla. Se tuottaa havaitunlaisen laakean ja tasaisen universumin sekä synnyttää varhaiseen alkuhiukkasplasmaan pieniä epähomogeenisuuksia. Yksinkertaisimmillaan inflaation saa aikaan jonkin skalaarikentän energiadominenssi. Hiukkasfysiikan Standardimalli (SM) sisältää vain yhden fundamentaalin skalaarikentän: Higgsin bosonin. Higgs ei yksinkertaisimmillaan voi kuitenkaan aiheuttaa inflaatiota vääränlaisen potentiaalienergiansa ansiosta. Jos Higgs kuitenkin kytkee gravitaatioon hieman poikkeavalla tavalla, tuloksena on havaintojen kanssa hyvin yhteen sopiva inflaatiomalli, ns. Higgsin inflaatio. Higgsin inflaatio kärsii kuitenkin tietyistä matemaattisista ongelmista: renormalisoitumattomuudesta ja unitaarisuuden rikkoutumisesta inflaation energiaskaalaa pienemmillä energioilla. Siksi teorian kytkinvakioita ei voida normaaliin tapaan juoksuttaa mittaustuloksia vastaavalta matalaenergia-alueelta inflaatiota vastaaville energioille kvanttikenttäteorian häiriöteoreettisia metodeja käyttäen. Tämän vuoksi Higgsin inflaation ennusteet eivät ole yksikäsitteisiä. Niitä voidaan kuitenkin parametrisoida kytkinvakioiden efektiivisillä hypyillä, jotka tapahtuvat häiriöteorian rikkoutumisskaalalla. Nämä hypyt, joista tärkeimmät ovat Higgsin itseisvuorovaikutuksen hyppy sekä top-kvarkin Yukawa -kytkinvakion hyppy, muodostavat yhdessä Higgsin ja gravitaation välisen vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvaavan kytkinvakion kanssa tärkeimmät Higgsin inflaation ennustuksiin vaikuttavat parametrit. Lisäksi gravitaatiovapausasteiden valinta, toisin sanoen valinta yleisen suhteellisuusteorian metrisen ja Palatinin formalismin välillä, vaikuttaa Higgsin inflaation fysikaaliseen ennustuksiin. Väitöskirja koostuu kolmesta tutkimusartikkelista, jotka kartoittavat Higgsin inflaation fysikaalista käyttäytymistä. Varioimalla kolmea yllä mainittua parametria sekä metrisessä formalismissa että Palatini-formalismissa voidaan saada aikaan erilaisia piirteitä Higgsin potentiaaliin, jotka vaikuttavat kentän dynaamiseen käyttäytymiseen. Ne laajentavat Higgsin inflaation mahdollisten ennusteiden joukkoa. Väitöskirjassa käsitellään myös ns. Higgs-Starobinsky-inflaatiota metrisessä formalismissa; kyseessä on eräänlainen Higgsin inflaation laajennus. Higgsin inflaation ennusteiden yksityiskohtainen kartoittaminen on tärkeää rajoitettaessa mallin mahdollisia realisaatioita tulevaisuuden CMB-havaintojen ja gravitaatioaaltohavaintojen avulla. Tämän avulla voidaan syventää ymmärrystä paitsi inflaatiomekanismista myös Standardimallin kytkeytymisestä gravitaatioon suurilla energioilla, mikäli Higgs todella on inflaation aiheuttaja.
Subject: kosmologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Aspectso.pdf 408.8Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record