[論文レビュー] Fifty years of cosmological particle creation

Leonard Parker, José Navarro-Salas|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2017

History and Developments in Astronomy参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、曲がった時空における量子場理論において、宇宙の膨張が粒子-反粒子対を生成するというレナード・パーカーの発見に関する歴史的かつ個人的な回顧録を提示する。スカラー場理論の共変的定式化を用いて、パーカーは時間に依存する重力場が粒子を生成できることを示した。これは、宇宙背景放射の初期ゆらぎや、Bモード偏光パターンを通じた原始的重力子の潜在的検出に不可欠なメカニズムとなった。

ABSTRACT

In the early sixties Leonard Parker discovered that the expansion of the universe can create particles out of the vacuum, opening a new and fruitfull field in physics. We give a historical review in the form of an interview that took place during the Conference ERE2014 (Valencia 1-5, September, 2014).

研究の動機と目的

• 時間的拡大する時空における粒子生成の発見の背後にある歴史的発展と個人的旅路を記録すること。
• 曲がった時空における量子場理論が、初期宇宙における原始的密度ゆらぎの理論的枠組みをどのように提供するかを説明すること。
• 宇宙的粒子生成と宇宙背景放射における観測されたBモード偏光との関連を探索すること。
• この発見が量子重力や重力子の検出に与える広範な意味を考察すること。
• パーカーの理論物理学分野における先駆的業績の背後にある個人的・知的動機を伝えること。

提案手法

• アインシュタイン方程式から導かれる時間に依存するスケール因子 $ a(t) $ を持つ空間的に平坦で等方的拡大する宇宙に量子場理論を適用する。
• 曲がった時空における量子化された場の基礎として、一般共変的最小結合スカラー場方程式を用いる。
• 2階微分方程式の定理を適用し、初期のミンコフスキー時空から拡大する宇宙への生成・消滅演算子の時間発展を記述する。
• ボゴリューボフ変換を用いて、拡大背景における初期状態と最終状態の量子状態を関連づけ、粒子生成を分析する。
• 理論的枠組みを観測可能な宇宙論的現象、特に原始的摂動とCMB非一様性に結びつける。
• BICEP2およびプランク実験によって探査されたCMBにおけるBモード偏光を通じて、原始的重力子の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙の膨張は、量子場理論において、真空から粒子が自発的に生成される仕組みをどのようにもたらしたのであろうか？
• RQ2 時間に依存する重力場が粒子-反粒子対を生成する理論的メカニズムは何か？
• RQ3 宇宙的粒子生成は、宇宙背景放射に観測された原始的密度ゆらぎの起源をどのように説明するのであろうか？
• RQ4 粒子生成はインフレーション宇宙論のシナリオおよび重力波生成にどのような役割を果たすのであろうか？
• RQ5 CMBのBモード偏光は、宇宙インフレーション期に生成された原始的重力子の検出を示す証拠となり得るだろうか？

主な発見

• レナード・パーカーは1960年代初頭に、相互作用がなくても、時間に依存する時空における量子場理論において粒子生成が自然に生じることを発見した。
• このメカニズムは、スケール因子 $ a(t) $ の時間的変化に依存しており、これは量子状態間の遷移を引き起こし、ボゴリューボフ変換を通じて粒子生成をもたらす。
• このプロセスは、大規模構造の種まきと宇宙背景放射の温度非一様性を引き起こす原始的密度ゆらぎの理論的起源を提供する。
• BICEP2が観測し、プランクが確認したCMBにおけるBモード偏光は、インフレーション期に重力子が生成された間接的証拠を示す可能性がある。
• ダストの前景放射と原始的重力波の間の相互作用は、BICEP2の信号が原始的重力子の証拠であると確認する上で依然として主要な課題のままである。
• 重力子の直接検出がまだない中でも、宇宙的粒子生成の理論的枠組みは、現代の初期宇宙宇宙論の基盤のままである。