[論文レビュー] Multi-Field Inflation from String Theory

Per Berglund, Guoqin Ren|ArXiv.org|Dec 8, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 39被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、大規模体積限界における複数のケーラーモジュリを用いて、タイプIIB超弦理論における多場インフレーションモデルを構築する。軽いモジュリがインフレーションを駆動する一方、重いモジュリは動的に抑制される。数値解析により、曲率パワー スペクトルは $n_s \simeq 0.96$ に近く、WMAP観測と整合的であり、事前の真空整列を仮定せず、すべての場が自己自己一致的に安定化される。

ABSTRACT

We construct a multi-field inflationary model consisting of multiple Kähler moduli derived from type IIB string compactification in the large volume limit. The model consists of both heavy and light fields, with the former being frozen during the inflationary period and the latter acting as the inflaton(s). We study the evolution of all the fields during and after inflation until the preheating era when all the fields oscillate around their vacuum expectation values. Our numerical analysis shows that the curvature perturbations have an almost scale invariant power spectrum with $n_s \simeq 0.96$.

研究の動機と目的

• タイプIIB超弦コンactificationに基づく複数のケーラー・モジュリを用いた現実的で多場インフレーションモデルの構築。
• インフレーション中およびその直後に、軽い（インフレートン）および重い（凍結）モジュリの動的進化の調査。
• 非キャノニカルで場空間に結合する多場フレームワークにおける曲率および等方的摂動の計算。
• すべてのモジュリを動的に含めた場合に、従来のモデルで一般的な単一場仮定が必要であるか、あるいは余分であるかの検証。
• 特にスペクトル指数 $n_s$ および等方的摂動の制約と、観測的制約との整合性の評価。

提案手法

• 超弦コンパクト化に起因する非キャノニカルな運動項を捉えるために、場空間上の非対角的かつ場に依存する計量 $h_{ab}$ を持つスカラー・テンソル重力作用を定式化する。
• 場空間における共変微分とクリストッフェル接続を用いて、複数のモジュリ場の背景方程式を導出する。
• 軽い場および重い場のスカラー摂動方程式を解き、重い場の摂動がハンケル関数解析により指数的に抑制されることを示す。
• 非アディアバティックモードおよび場空間結合を考慮した転送関数を用いて、曲率および等方的パワー スペクトルを計算する。
• 全系の数値シミュレーションを実施し、プリヒーティングのダイナミクスを含め、インフレーション後の場の振動およびスペクトル進化を追跡する。
• タイプIIB超弦理論の大規模体積限界を用いて、ゆっくりしたスローロールインフレーションに適した平坦な方向を有する安定化された有効ポテンシャルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプIIB超弦理論における複数のケーラー・モジュリに基づく多場インフレーションモデルは、ほぼスケール不変な曲率パワー スペクトルを生成できるか？
• RQ2 重いモジュリのダイナミクスを完全に含めた場合、それらが曲率および等方的摂動の進化に与える影響は何か？（事前に凍結されたものと仮定するのではなく。）
• RQ3 場空間計量の非対角性および非キャノニカルな正規化が、初期スペクトルの形をどのように規定するか？
• RQ4 すべてのモジュリを初期から動的に進化させる場合、従来のモデルで一般的な単一場近似は依然として有効であるか、あるいは不要であるか？
• RQ5 微調整なしに、スペクトル指数 $n_s$ および等方的摂動の制約を満たすことができるか？

主な発見

• モデルは、スペクトル指数 $n_s \simeq 0.96$ を有する曲率パワー スペクトルを生成し、5年分のWMAPデータ（$n_s = 0.960 \pm 0.013$）と整合的である。
• 数値的進化の結果、重いモジュリはインフレーション中に動的に抑制されたままであることが示され、単一場近似が有効であるが、必須ではないことが確認された。
• プリヒーティングのダイナミクスでは、軽い場が最小値のまわりで急速に振動するが、重い場はよりゆっくりと進化し、数エオルド分の期間を要する。
• 等方的摂動比 $\alpha = P_S / (P_R + P_S)$ は小さく抑えられ（95%信頼区間で $< 0.070$）、転送関数がハッブルスケール通過後に等方的振幅を抑制すれば、モデルはこれを満たすことができる。
• 多軽場インフレーションのスペクトル指数は、$N_* = 60$ で $n_{s,*} \sim 0.962-0.964$ であり、観測と整合的であることが示された。
• 重いモジュリが事前に安定化されているという仮定が余分であることが分析で確認された—完全な動的進化でも、事前の真空整列なしに一貫した結果が得られる。