[論文レビュー] Brane SUSY Breaking and Inflation: Implications for Scalar Fields and CMB Distorsion

Augusto Sagnotti|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 28被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、超弦理論におけるブレイン超対称性の破れが、初期特異性の後に急勾配の指数関数的ポテンシャルを登るスカラー場を自然に生じさせ、下降過程でスローロールインフレーションを引き起こすと提唱する。このモデルは、CMBの四重極モーメントの抑制と低多重度の振動を予測し、スペクトル指数 $ n_s \approx 0.96 $ が不安定なNS五次元ブレインの重要な役割を示唆しており、WMAP9およびPLANCKデータと定性的に整合する。

ABSTRACT

I elaborate on a link between the string--scale breaking of supersymmetry that occurs in a class of superstring models and the onset of inflation. The link rests on spatially flat cosmologies supported by a scalar field driven by an exponential potential. If, as in String Theory, this potential is steep enough, under some assumptions that are spelled out in the text the scalar can only climb up as it emerges from an initial singularity. In the presence of another mild exponential, slow--roll inflation is thus injected during the ensuing descent and definite imprints are left in the CMB power spectrum: the quadrupole is systematically reduced and, depending on the choice of two parameters, an oscillatory behavior can also emerge for low multipoles l < 50, in qualitative agreement with WMAP9 and PLANCK data. The experimentally favored value of the spectral index, n_s ~ 0.96, points to a potentially important role for the NS fivebrane, which is unstable in this class of models, in the Early Universe.

研究の動機と目的

• 超弦モデルにおけるブレイン超対称性の破れ（BSB）による超対称性の破れの宇宙論的影響を調査すること。
• BSBが空間的に平坦な宇宙論においてスカラー場のダイナミクスを通じて自然にインフレーションを引き起こせるかどうかを検討すること。
• その結果得られるスカラー・ポテンシャルがCMBパワー・スペクトルに観測可能な印影を残すかどうか、特に低-$\ell$領域において検討すること。
• 特にスペクトル指数 $ n_s \approx 0.96 $ に関連して、初期宇宙におけるNS五次元ブレインの果たす役割を評価すること。
• ツリー階層のポテンシャルの対数勾配（$ \gamma = 1/12 $）がCMBデータからの観測的制約とどのように関係するかを明らかにすること。

提案手法

• 超弦理論におけるブレイン超対称性の破れから導かれる指数関数的ポテンシャルを持つスカラー場によって駆動される空間的に平坦な宇宙論を分析する。
• ストリング・フレームにおける有効作用法を用い、$ e^{-2\phi}R $、$ e^{-\phi}T $ 項およびブレイン寄与による指数関数的ポテンシャルを含む。
• フリードマン＝ロバートソン＝ウォーカー計量におけるスカラー場の運動方程式を用いて、初期特異性からの場の時間発展をモデル化する。
• 急勾配の指数関数的ポテンシャルがスカラー場を初期段階で上昇させることを示し、その後の下降段階でスローロールインフレーションを支える可能性がある。
• 下降段階におけるスローロールインフレーションを可能にするために、第二のやや穏やかな指数関数的ポテンシャルを導入する。
• スカラー場のダイナミクスを用いてCMBパワー・スペクトルを計算し、特に低多重度領域（$ l < 50 $）および四重極モーメントの振幅に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超弦理論におけるブレイン超対称性の破れは、スカラー場のダイナミクスを通じて自然にインフレーション段階を引き起こせるか？
• RQ2 急勾配の指数関数的ポテンシャルから上昇したスカラー場が、下降過程を経てCMBパワー・スペクトルにどのような観測可能な印影を残すか？
• RQ3 ツリー階層ポテンシャルの対数勾配 $ \gamma = 1/12 $ は、観測されたスペクトル指数 $ n_s \approx 0.96 $ とどのように関係するか？
• RQ4 NS五次元ブレインの不安定性が、インフレーションのなだらかな終了および再熱の過程で果たす役割は何か？
• RQ5 予測されるCMB特徴（四重極モーメントの抑制と低-$\ell$振動）は、WMAP9およびPLANCKデータと一致するか？

主な発見

• 初期特異性の直後、ツリー階層のBSBポテンシャルによりスカラー場が急勾配の指数関数的ポテンシャルを上昇させられ、即時の下降を防ぐ。
• 第二のやや穏やかな指数関数的ポテンシャルのおかげで、その後の下降段階でスローロールインフレーションが可能となり、インフレーション段階が注入される。
• このモデルは、CMB四重極モーメントの系としての抑制を予測し、WMAP9およびPLANCKの観測結果と整合する。
• 2つの自由パラメータに依存して、低多重度領域（$ l < 50 $）に振動的特徴が生成され、WMAP9およびPLANCKデータの定性的な傾向と一致する。
• 観測されたスペクトル指数 $ n_s \approx 0.96 $ は、理論的予測 $ \gamma = 1/12 \approx 0.0833 $ と非常に近いが、観測値の $ 1/12.4 $ から数パーセントの差にとどまる。
• 不安定なNS五次元ブレインは、スカラー場のダイナミクスに基づき、インフレーションのなだらかな終了および再熱の主要因である可能性が特定された。