[論文レビュー] Gauss-Bonnet-coupled Quintessential Inflation

Carsten van de Bruck, Konstantinos Dimopoulos+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 30

ひとこと要約

本稿では、インフレーション場がガウス・ボナケの不変量にカップリングするガウス・ボナケカップリング付きのクインテッサティックインフレーションモデルを提案する。このモデルは、プランク長より小さい場の変位を保証し、放射修正に対してクインテッサティックテイルを安定化させる。モデルはCMB予測のインフレーション観測量をうまく生成し、自然なパラメータ値で今日のダークエネルギーを説明でき、ΛCDMにおけるコスモロジカル定数の微調整を回避する。

ABSTRACT

We study in detail a new model of quintessential inflation where the inflaton field is coupled to the Gauss-Bonnet term. This coupling ensures that the variation of the field is kept sub-Planckian, which avoids the 5th force problem as well as the lifting of the flatness of the quintessential tail in the runaway scalar potential due to radiative corrections. We find that the inflationary predictions of the model are in excellent agreement with CMB observations, while the coincidence requirement of dark energy is satisfied with natural values of the parameters, overcoming thereby the extreme fine-tuning of the cosmological constant in $Λ$CDM.

研究の動機と目的

• インフレーションとダークエネルギーを、極端な微調整を伴わない単一のスカラー場フレームワークで統一すること。
• 場の変位をプランク長未満に保つことで、クインテッサティックテイルの第5力問題と放射不安定性を解決すること。
• 急勾配のポテンシャルであっても、インフレーション場が後期に凍結することを保証し、今日のダークエネルギーとして機能させること。
• 自然なパラメータ値が、同時にインフレーション、再熱、ダークエネルギーの制約を満たせることを示すこと。

提案手法

• インフレーション場とガウス・ボナケ不変量の間の非最小カップリングを導入し、指数関数的依存性を持つ。これは後期にのみ顕著になる。
• インフレーションのためのプラトー型ポテンシャルと、クインテッサスティックのための指数関数的テイルを持つスカラー・ポテンシャルを採用し、大規模な質量スケール（統一エネルギースケール付近）で抑制する。
• ガウス・ボナケカップリングスケール $ G_0 \geq M_{\text{Pl}}^{-2} $ を採用することで、プランク長未満の場の変位を維持する。
• インフレーション期にアトラクタ機構を適用し、初期条件を自然に設定することで、微調整を低減する。
• COBE正規化を用いてポテンシャルエネルギー スケールを $ V_0^{1/4} \sim 10^{-14} \, \text{GeV} $ に固定し、統一エネルギースケールと整合性を持つ。
• インフレーション、再熱、および後期のダークエネルギー支配の全過程にわたる場の時間発展を数値解析し、CMBおよび修正重力理論のテストと整合することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のスカラー場にガウス・ボナケカップリングを導入することで、自然なパラメータ値で、実現可能なインフレーションと後期のダークエネルギーを同時に達成できるか？
• RQ2 ガウス・ボナケカップリングは、急勾配のクインテッサティックテイルを維持しつつ、超プランク長の場の変位を防ぐ仕組みは何か？
• RQ3 GBカップリングは、クインテッサティックポテンシャルの放射修正に対する安定化および第5力相互作用の抑制に、どの程度寄与するか？
• RQ4 モデルは、CMBのスカラースペクトル指数およびテンソル対スカラー比の制約を満たし、同時にダークエネルギー観測と一致するか？
• RQ5 カップリングおよびポテンシャルスケールのどのパラメータ範囲が、再熱と後期の加速を一貫して満たすか？

主な発見

• モデルはCMB観測と優れた一致を示し、プランク制約内に観測されたスカラースペクトル指数およびテンソル対スカラー比を再現する。
• ガウス・ボナケカップリングのおかげで、場の変位がインフレーション全期間にわたりプランク長未満に保たれ、第5力問題と放射不安定性を回避する。
• モデルは自然なパラメータ値で、$ 50 \lesssim p \lesssim 500 $ の範囲でダークエネルギーの一致問題を満たし、極端な微調整を必要としない。
• GBカップリングは後期にのみ動的に顕著になるため、場が凍結し、今日のダークエネルギーとして機能するが、再び自由化されない。
• ポテンシャルエネルギー スケールは $ V_0^{1/4} \sim 10^{-14} \, \text{GeV} $ に固定され、統一エネルギースケールとCOBE正規化と整合的である。
• モデルは再熱および修正重力の制約を満たしており、宇宙論的時代にわたる妥当性が確認された。