[論文レビュー] Chain Inflation via Rapid Tunneling in the Landscape

Katherine Freese, James T. Liu+1 more|ArXiv.org|Dec 7, 2006

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、エネルギーが徐々に低下するメタ安定な真空中を通過する急速な量子トンネル化によって、文字通りの理論的ランドスケープにおける初期宇宙のインフレーションを実現する『チェーンインフレーション』を提案する。四形式フラックスの変化によって駆動されるこの過程では、各トンネル化イベントがインフレーションの1エーフォールドの一部を寄与し、60エーフォールドのインフレーションを達成するために、細かいパラメータ調整なしに数百回のトンネル化が集約される。

ABSTRACT

Chain inflation takes place in the string theory landscape as the universe tunnels rapidly through a series of ever lower energy vacua such as may be characterized by quantized changes in four form fluxes. The string landscape may be well suited to an early period of rapid tunneling, as required by chain inflation, followed by a later period of slow tunneling, such as may be required to explain today's dark energy and small cosmological constant. Each tunneling event (which can alternatively be thought of as a nucleation of branes) provides a fraction of an e-folding of inflation, so that hundreds of tunneling events provide the requisite amount of inflation. A specific example from M-theory compactification on manifolds with non-trivial three-cycles is presented.

研究の動機と目的

• メタ安定な真空中の急速な量子トンネル化を用いて、文字通りの理論的ランドスケープにおける初期宇宙インフレーションのメカニズムを提案すること。
• 従来のスローロールインフレーションモデルとは異なり、平坦なポテンシャルやパラメータの微調整を必要としない形で、チェーンインフレーションが成立することを示すこと。
• 低エネルギースケール（例：テルツスケール）と整合するため、将来的に検証可能であることを示すこと。
• インフレーションの終了という課題に取り組み、中間的トンネル化率と裸の宇宙定数のキャンセレーションが果たす役割を分析すること。
• トンネル化の薄い壁近似を、高次元における有効場理論とp形式場を用いて、非薄い壁効果を含む形に拡張すること。

提案手法

• バリアの高さ、幅、エネルギー差を制御するパrameter λ, a, ε を持つ非対称な二重井戸型ポテンシャルを用いて、各トンネル化イベントをモデル化する。
• Coleman-de Lucciaのインスタントン形式を適用し、バウンス作用量 B ∝ τ⁴/|ε|³ によりトンネル率を計算する。ここで τ はブレインの張力である。
• トンネル率の推定に薄い壁近似を適用し、B = (27π²/2)(τ⁴/|ε|³) を用いることで、隣接する真空中の崩壊確率を評価する。
• p形式ゲージ場 Fμ₁…μₚ = εμ₁…μₚϕ を用いて、フラックスの変化を記述することで、高次元有効場理論への一般化を図る。
• 薄い壁の極限を超えるために、コサイン型ポテンシャルを持つスカラー場理論として系をモデル化し、質量のあるシュヴィンガー模型に類似した挙動を検討する。
• 共鳴トンネル化と真空中エネルギーのキャンセレーションの役割を検討し、慢性的なトンネル化が生じる中間領域を回避し、再加熱問題を避ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 文字通りの理論的ランドスケープにおけるメタ安定な真空中を通過する急速なトンネル化が、ポテンシャルの微調整なしに十分なインフレーションを自然に生じさせられるか？
• RQ2 多真空中のランドスケープにおいて、トンネル率はエネルギー差、バリアの高さ、場の幅にどのように依存するか？
• RQ3 四形式フラックスは、M理論のコンパクト化における真空中の順序を定義し、チェーンインフレーションを可能にする役割を果たすか？
• RQ4 チェーンインフレーションは低エネルギースケール（例：テルツスケール）で実現可能であり、標準的な単一スカラー場インフレーションモデルと比べてどう異なるか？
• RQ5 薄い壁近似を超えたトンネル化の文脈において、真空崩壊とインフレーションの終了に与える影響は何か？

主な発見

• チェーンインフレーションは、文字通りの理論的ランドスケープにおける数百回の急速なトンネル化イベントによって、必要な60エーフォールドのインフレーションを達成できる。
• トンネル率はバウンス作用量 B に対して指数関数的に敏感であり、エネルギー差やバリアの高さに応じて、極めて速いか極めて遅いトンネル化が可能になる。
• 少なくとも10²⁰⁰個の異なるフラックス配置を持つ真空中が存在するため、文字通りの理論的ランドスケープにおいて、このモデルは一般性を持つ。
• インフレーションは低エネルギースケール（例：QCDやテルツスケール）で発生可能であり、これは多数の単一スカラー場ローリングモデルがGUTスケールのポテンシャルを必要とするのとは対照的である。
• 薄い壁の極限を超えた有効場理論において、p形式と周期的ポテンシャル（例：cos(ϕ)）を用いることでトンネル化過程を記述でき、高次元における量子場理論との深い関係が示唆される。
• 非常に大きな負の裸の宇宙定数が正の真空中エネルギー寄与をキャンセルする可能性があるため、AdS空間への危険なトンネル化を防ぎ、最後の正エネルギー真空中で安全にインフレーションが終了することが保証される。