[論文レビュー] Low scale inflation with large number of e-foldings

Anupam Mazumdar|ArXiv.org|Oct 16, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ハイブリッドインフレーションモデルにおける長期間にわたる2次相転移を活用することで、非常に大きなエーフォールディング数を達成する低スケールインフレーションのメカニズムを提案する。このモデルでは、2つのスカラー場のダイナミクスによってスローロールが維持される。主な結果として、インフレートンに大きなハッブル項由来の質量補正が加わっても、十分なインフレーションとほぼスケール不変な密度揺らぎを生成可能であり、η問題を解決するとともに、TeVスケールでの宇宙論的モジュライ問題に対処できる。

ABSTRACT

In this paper we illustrate an interesting example of low scale inflation with an extremely large number of e-foldings. This realization can be implemented easily in hybrid inflation model where usually inflation ends via phase transition. However this phase transition can be so prolong that there is a subsequent epoch of slow roll inflation governed by the dynamics of two fields. This second bout of inflation can even resolve the $η$ problem which plagues certain kind of inflationary models. However we also notice that for extremely low scale inflation it is hard to obtain the right amplitude for the scalar density perturbations. In this regard we invoke alternative mechanisms for generating fluctuations. We also describe how to ameliorate the cosmological moduli problem in this context.

研究の動機と目的

• 低スケールインフレーションモデルにおける大規模なエーフォールディングの実現可能性を検討する。通常、このタイプのモデルは、プランクスケール未満の場の期待値によりインフレーションが制限されるため、困難を伴う。
• N=1超対称ゲージ理論に由来するモデルにおけるη問題を解決する。ここでは、ハッブル項由来の質量補正がスローロールインフレーションを不安定化させる。
• 初期インフレーション終了後に、長期間にわたる2次相転移が、再びスローロールインフレーションを維持できることを示す。
• 低再結合温度と低スケールのダイナミクスにもかかわらず、適切なスカラー密度揺らぎの振幅を生成するメカニズムを提示する。
• このメカニズムによりインフレーションスケールをTeVスケールまで引き下げることで、宇宙論的モジュライ問題を緩和する。

提案手法

• 2つのスカラー場φとΦを含むハイブリッドインフレーションポテンシャルを用い、インフレーションはΦのダイナミクスによって制御される2次相転移によって終了する。
• 相転移を、場Φがポテンシャルをゆっくりと下る緩やかなプロセスとしてモデル化し、これにより再びスローロールインフレーションの期間が持続される。
• 相転移中におけるφの運動方程式を導出し、mϕ/Φ₀およびλに依存する割合で指数関数的に減衰する様子を示し、これにより長期間のインフレーションが実現可能であることを示す。
• インフレートンの崩壊率のフラクチュエーションによって断熱密度揺らぎを生成する代替メカニズムを導入し、Φの量子フラクチュエーションまたは平坦な方向Sが駆動要因となる。
• 相転移中におけるΦの確率的ダイナミクスを記述するため、Fokker-Planck方程式を用いる。特に、量子フラクチュエーションが顕著になる領域で有効である。
• インフレートンの有効質量がΦの期待値に依存することを考慮し、これにより崩壊率の揺らぎδΓ/Γ ∼ H∗/(2πΦ)が生じ、再結合温度および放射エネルギー密度に揺らぎが印字されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドインフレーションモデルにおける長期間の2次相転移が、低エネルギースケールで再びスローロールインフレーションを維持可能であり、大規模なエーフォールディングを達成できるか？
• RQ2 インフレートンに大きなハッブル項由来の質量補正が加わっても、成功したインフレーションとスケール不変な密度揺らぎを実現できるか？
• RQ3 低スケールインフレーションモデルにおいて、低再結合温度のもとで適切なスカラー密度揺らぎの振幅をどのように生成できるか？
• RQ4 このメカニズムによりインフレーションスケールをTeVスケールまで引き下げることで、宇宙論的モジュライ問題を解決できるか？
• RQ5 インフレートン系が標準模型と直接結合していない場合、断熱密度揺らぎを生成する代替メカニズムは何か？

主な発見

• ハイブリッドモデルにおける長期間の2次相転移は、低スケールのダイナミクスにもかかわらず、再びスローロールインフレーションを維持可能であり、極めて大きなエーフォールディング数を達成できる。
• インフレートンに大きなハッブル項由来の質量補正が加わっても、緩やかな相転移の期間中に十分なインフレーションが達成可能であり、N=1超対称ゲージ理論モデルにおけるη問題が解決される。
• 密度揺らぎの振幅は、インフレートンの崩壊率のフラクチュエーションを通じて生成可能であり、δργ/ργ ∼ H∗/(2πΦ) となる。Φ ∼ 10⁶H∗ となる相転移終盤に、必要な振幅が達成可能である。
• 本モデルはTeVスケールのインフレーションスケールを許容可能であり、これによりモジュラス生成が著しく抑制され、宇宙論的モジュライ問題が著しく緩和される。
• 平坦な方向Sのフラクチュエーションや、標準模型ヒッグスへのユカワ結合を介した代替メカニズムが同定され、δρ/ρ ∼ (4/3)δS/S となる。
• インフレートンの有効質量は期待値依存的となり、m²_eff,ϕ ∝ Φ² と表され、相転移中に崩壊率と揺らぎ生成を動的に制御可能となる。