[論文レビュー] Large tensor-to-scalar ratio and low scale inflation

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar+1 more|ArXiv.org|Dec 12, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー密度での補助的インフレーション（H ~ 10¹³ GeV）が高エネルギーのテンソルモード（重力波）を生成し、低エネルギー密度でのMSSMインフレーション（H ~ 1 GeV）がスカラー摂動を生成するとともに宇宙をSMバリオンおよびダークマターへ再加熱する二段階インフレーションモデルを提案する。最初の段階のテンソルモードは、二番目の段階のホライズンを「すり抜け」るため、観測可能なr_observed ≤ 0.8の強い赤傾きテンソルスペクトルが得られ、これは主に最大のスケール（l ≈ 2）での観測に限られる。

ABSTRACT

It is plausible that the scalar density perturbations are created by a relatively low scale model of inflation which predicts the CMB anisotropy and excites Standard Model baryon and cold dark matter, but negligible gravity waves. Nevertheless a significantly large tensor perturbations can be observed if there exists a prior phase of high scale inflation separated by a matter or radiation dominated epoch. In this paper we provide a simple example when the gravity waves generated at high scales trickle through the horizon of the second phase of inflation and leave a distinct imprint in the spectrum of the tensor modes. For a high scale inflation occurring at $H\sim 10^{13}$ GeV while the second phase of inflation happening at $H\sim 1$ GeV, the largest tensor to scalar ratio is bounded by $r_{ m observed}\leq0.8$.

研究の動機と目的

• 超プランクスケールのインフレート場期待値を必要としない現実的な素粒子物理学的文脈で、大きなテンソル対スカラー比（r）を生成すること。
• CMBパワースペクトルの不連続性を避けるために、スカラー密度摂動が唯一、低エネルギーインフレーション段階（H ~ 1 GeV）から生じることを保証すること。
• MSSMインフレーションを通じて、恣意的な結合を導入せず、自動的にSMバリオンおよびコールドダークマターへ再加熱されることを実現すること。
• 高エネルギー段階からの重力波が、大規模スケールに特徴的な特徴を残すように、観測可能なインフレーション信号を残すこと。

提案手法

• 二段階インフレーションの設定を採用：最初の段階はn個のスカラー場（V = ∑m²χᵢ²）によって駆動され、H ~ 10¹³ GeVの補助的インフレーションであり、その後物質支配期が続く。
• 二番目の段階として、H ~ 1 GeVのMSSMインフレーションを導入し、すべてのスカラー摂動を生成するとともに、宇宙をSMおよびダークマターへ再加熱する。
• ホライズン再プロセッシングと状態方程式の変化に起因する位相差を考慮した、テンソルモードとスカラー摂動の遷移に伴う時間発展をモデル化する。
• ムカノフ＝ササキ形式を用いてパワー スペクトルを計算し、最初の段階からのテンソルモードが第二段階で再プロセッシングされることを扱う。
• 現在のホライズンに対応する臨界モードk_cを用いて観測されるテンソル対スカラー比を決定し、H_assist ~ 10¹³ GeVの場合にr_observed ≤ 0.8となる。
• 相関構造を分析：テンソルモードとスカラー摂動は、振動の開始時刻が異なるため、大スケール（k < k_c）で反比例関係にあり、テンソルモードのパワー スペクトルは～k⁻⁶に比例する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギーインフレーションモデルにおいて、超プランクスケールのインフレート場期待値を必要とせずに、大きなテンソル対スカラー比を生成できるか？
• RQ2 高エネルギーインフレーション段階からの重力波が、低エネルギーインフレーション段階を通過した後、大規模スケールに検出可能な信号を残すことができるか？
• RQ3 スカラー摂動が唯一、低エネルギーMSSMインフレーション段階から生じることで、CMBパワー スペクトルの不連続性が生じないよう保証できるか？
• RQ4 物質支配から低エネルギーインフレーションへの遷移に伴い、テンソルモードとスカラーモードの相対的位相はどのように変化するか？また、それらが残す観測可能な特徴は何か？
• RQ5 高エネルギー補助的インフレーションと低エネルギーMSSMインフレーションを組み合わせた二段階インフレーションモデルにおいて、観測可能な最大テンソル対スカラー比は何か？

主な発見

• H_assist ~ 10¹³ GeVおよびH_MSSM ~ 1 GeVの場合、観測されるテンソル対スカラー比はr_observed ≤ 0.8に制限され、信号は主に最大スケール（l ≈ 2）に集中する。
• 高エネルギーの重力波が第二インフレーション段階のホライズンを通じて再プロセッシングされることにより、テンソルパワー スペクトルは強い赤傾き（～k⁻⁶）を示す。
• スケールが大きい領域（k < k_c）では、振動の開始時刻の違いによりテンソルモードとスカラー摂動が反比例関係にあり、CMB相関関数に特徴的な印を残す。
• ホライズン内側のモード（k > k_c）では、スカラーとテンソルモードが相関関係にあり、パワー スペクトルは～k⁻⁵に比例する。これは単一段階インフレーションとは明確に異なる。
• このモデルは、MSSMインフレーションの初期条件を自然に提供する：高エネルギー補助的インフレーションにより、約80エオブリンキングでMSSMの平坦な方向がφ₀ ~ 10¹⁴ GeVに押し出される。
• 将来のCMB実験は、小スケールでのテンソル相関の急激な低下と赤傾きスペクトルを検出することで、このモデルを単一段階インフレーションと区別できる可能性がある。