[論文レビュー] Eternal inflation and collapse theories

Rosa-Laura Lechuga, Daniel Sudarsky|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2023

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、空間の一様性と等方性を破ることで初期密度揺らぎを生成する、修正された自己崩壊理論（CSL型）を導入することで、量子宇宙論における永遠のインフレーション問題を解決する。理論は、モード波数に依存する崩壊率の調整により、永遠のインフレーションを回避しながら、宇宙構造形成に適したパワー スペクトルを維持できることを示している。

ABSTRACT

The eternal inflation problem continues to be considered one of standard's cosmology most serious shortcomings. This arises when one considers the effects of "quantum fluctuations" (QF) on the zero mode of inflaton field during a Hubble time in the inflationary epoch. In the slow-roll regime it is quite clear that such QF could dwarf the classical rolling down of the inflaton, and with overwhelming probability this prevents inflation from ever ending. When one recognizes that QF can not be taken as synonymous of stochastic fluctuations, but rather intrinsic levels of indefiniteness in the quantities, one concludes that the eternal inflation problem simply does not exist. However, the same argument would serve to invalidate the account for the generation of the primordial seeds of cosmic structure. In order to do address that issue, one must explain the breaking of homogeneity and isotropy of the early inflationary epoch. The so called spontaneous collapse theories offer an additional element namely the stochastic and spontaneous state reduction characteristic of those proposals possesses the basic features to break those symmetries. In fact, a version of the CSL theory adapted to the cosmological context has been shown to offer a satisfactory account for the origin the seeds of cosmic structure with an adequate power spectrum, and will serve as the basis of our analysis. However, once such stochastic collapse is introduced into the theoretical framework the eternal inflation problem has the potential reappear. In this manuscript we explore those issues in detail and discuss an avenue that seems to allow for a satisfactory account for the generation of the primordial inhomogeneities and anisotropies while freeing the theory from the eternal inflation problem.

研究の動機と目的

• 量子揺らぎがインフレートン場がポテンシャルの最小値に滑り込むのを妨げるため、インフレーション宇宙論における永遠のインフレーション問題に対処すること。
• 初期不均一性を生成するために不可欠な一様性と等方性の破壊の必要性と、永遠のインフレーションの回避を両立させること。
• 対称性を破り、宇宙の種を生成できる自己崩壊理論が、インフレートン零モードに適用された際に、再び永遠のインフレーション問題を引き起こすかどうかを調査すること。
• 宇宙背景放射（CMB）やBaryon Acoustic Oscillations（BAO）などの観測と整合的でありながら、永遠のインフレーションを防ぐための崩壊率パrameter に必要な条件を導出すること。
• モード波数に依存する修正された崩壊率が、標準的な初期構造生成メカニズムを損なわせることなく、永遠のインフレーション問題を抑制できることを示すこと。

提案手法

• 連続的自己局在化（CSL）理論の宇宙論的版をインフレーション期に適応し、確率的かつ自発的な状態縮退メカニズムを導入する。
• 場のモードの波数に依存するように崩壊率を修正し、加速的膨張を引き起こす零モードが崩壊の影響を受けないようにする。
• 粒子視界よりも物理的波長の長いモードが、永遠のインフレーション問題において重要な役割を果たすと特定する。これらのモードは顕著な量子揺らぎを経験する可能性がある。
• 観測可能なモードと永遠のインフレーションを引き起こす可能性のあるモードの両方を考慮した、修正された率関数を用いて、崩壊率パrameter（α と b）に必要な条件を導出する。
• 宇宙論的パrameter（例えば、ハッブルスケール、プランク質量、インフレートン質量）の推定値を用いて、パラメータ空間を制限し、崩壊率の定量的境界を導出する。
• CMB および BAO 観測からの制約を適用し、モデルが観測的に妥当でありながら、永遠のインフレーションを回避することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期不均一性を生成できる自己崩壊理論が、再び永遠のインフレーション問題を引き起こす可能性はあるか？
• RQ2 崩壊率がモード波数に依存する場合、インフレートン零モードの安定性と永遠のインフレーションの可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 永遠のインフレーションを回避しつつ、宇宙構造のための妥当なパワー スペクトルを維持するための崩壊率パrameter（α と b）に必要な条件は何か？
• RQ4 崩壊理論による測定問題の解決と、インフレーションが有限時間で終了するという要件を両立させることは可能か？
• RQ5 宇宙論的文脈における有効な崩壊率は文脈依存的になり得るか？その柔軟性が永遠のインフレーション問題の解決にどのように寄与するか？

主な発見

• 崩壊率が条件 $10^{15}\frac{1}{\alpha+2}\left(\frac{2\pi}{b\tau}\right)^{\alpha} < 1$ を満たす限り、永遠のインフレーション問題は発生しない。この条件は、適切な α と b の値で満たされる。
• 零モードはそのスケール不変性のおかげで崩壊の影響を受けず、量子揺らぎによるランウェイインフレーションを防ぐ。
• 物理的波長が粒子視界を上回るモードが、永遠のインフレーションを引き起こす主な候補であり、その挙動は修正された崩壊率によって制御される。
• 特に $b \leq 10^{-3}\,\text{Mpc}^{-1}$ のパラメータ値が、永遠のインフレーションを回避する条件とCMB・BAOからの観測制約の両方を満たす。
• 従来の研究[2]で確立された初期揺らぎのパワー スペクトルと整合的でありながら、永遠のインフレーション問題を解決する。
• 崩壊率のパrameter 化における柔軟性は、有効な崩壊ダイナミクスが宇宙論的文脈によって異なる可能性を示しており、構造形成の核心的メカニズムを変更せずに永遠のインフレーションを回避する手段を提供する。