[論文レビュー] Gravitational particle production of superheavy massive particles in Quintessential Inflation: A numerical analysis

Llibert Aresté Saló, Jaume de Haro|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、2つのクインテッサルインフレーションモデル（ローレンツ型QIおよびαアトラクター）におけるインフレーションからカイナーションへの遷移期において、超重く共形に結合された粒子の重力的粒子生成を数値的に調査している。通常の期待とは対照的に、質量が大きいと粒子生成が抑制されると思われているが、本研究では長波長モードが支配的であり、10⁷ GeVを超える再熱温度が得られ、Big Bang Nucleosynthesis（BBN）を破壊する可能性のある重力波の過剰生成を防いでいる。

ABSTRACT

We compute numerically the reheating temperature due to the gravitational production of conformally coupled superheavy particles during the phase transition from the end of inflation to the beginning of kination in two different Quintessential Inflation (QI) scenarios, namely Lorentzian Quintessential Inflation (LQI) and $\alpha$-attractors in the context of Quintessential Inflation ($\alpha$-QI). Once these superheavy particles have been created, they must decay into lighter ones to form a relativistic plasma, whose energy density will eventually dominate the one of the inflaton field in order to reheat after inflation our universe with a very high temperature, in both cases greater than $10^7$ GeV, contrary to the usual belief that heavy masses suppress the particle production and, thus, lead to an inefficient reheating temperature. Finally, we will show that the over-production of Gravitational Waves (GWs) during this phase transition, when one deals with our models, does not disturb the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) success.

研究の動機と目的

• クインテッサルインフレーションモデルにおけるインフレーションからカイナーションへの遷移期における、超重く共形に結合された粒子の重力的粒子生成を調査すること。
• 重粒子質量が再熱効率を低下させるという従来の信念に挑戦すること。
• これらのモデルにおける重力波の過剰生成が、Big Bang Nucleosynthesis（BBN）の成功と矛盾するかどうかを評価すること。
• カイナーション開始後にβ-Bogoliubov係数を用いることで、偏光効果が抑制されるため、実粒子エネルギー密度の信頼できる代理指標としての妥当性を検証すること。

提案手法

• 時間に依存するFLRW計量における共形に結合されたスカラー場χのKlein-Gordon方程式をフーリエ空間で数値的に解く。
• ハミルトニアンの対角化法を用いて、時間に依存するBogoliubov係数βk(τ)を計算し、粒子生成を記述する。
• カイナーション終了時のβk(τ)係数を用いて、生成された粒子のエネルギー密度を計算する。これは、断熱的変化により偏光効果が抑制されるため正当化される。
• 滑らかなQIポテンシャル2種（ローレンツ型クインテッサルインフレーション（LQI）およびQIにおけるαアトラクター（α-QI））を導入し、共形時間における数値的積分を実施する。
• モデル間の結果を比較し、再熱温度および重力波生成を評価する。
• 共形時間形式を用い、ゼロ点エネルギーを差し引くことで有限なエネルギー密度を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 滑らかなクインテッサルインフレーションモデルにおいて、超重い粒子の重力的生成が、その高い質量にもかかわらず、効率的な再熱をもたらすのか？
• RQ2 LQIおよびα-QIのシナリオにおいて、標準的な高質量による抑制の期待とは対照的に、再熱温度が10⁷ GeVを超える可能性はあるか？
• RQ3 段階的遷移期における重力波生成は、これらのモデルにおけるBig Bang Nucleosynthesis（BBN）の成功にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 カイナーション終了時のβ-Bogoliubov係数が、偏光効果の断熱的抑制を考慮すると、生成された実粒子のエネルギー密度を妥当かつ十分に表現できるのか？

主な発見

• LQIおよびα-QI両モデルにおける再熱温度は10⁷ GeVを超えており、巨大な質量にもかかわらず、超重粒子生成が極めて効率的であることが示された。
• その効率は主に長波長モードに起因しており、粒子生成過程において紫外モードよりも支配的である。
• 段階的遷移期における重力波の過剰生成は、BBNを破壊しない。高エネルギーの再熱温度により、過剰エネルギーが十分に希釈されるためである。
• カイナーション終了時のβ-Bogoliュボフ係数は、偏光効果がカイナーション開始後に断熱的に消滅するため、実粒子のエネルギー密度を正確に捉えている。
• 数値的結果により、標準的な理論的UVモード近似に基づく「高質量は再熱を抑制する」という一般的な信念が、本文の文脈では誤りであることが確認された。
• 本研究は、滑らかなQIモデルにおける粒子生成を分析する強固な数値的フレームワークを提供し、玩具的で不連続なモデルを超えて展開した。