[論文レビュー] Particle Creation in Pre-Big-Bang Cosmology: theory and observational consequences

Ruth Durrer, Kerstin E. Kunze+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ストリング理論の双対性にインspiredされた、初期宇宙における粒子生成を検討する。重力波のスペクトル指数は $n_T = 3$ となり、青傾斜のスペクトルを示すが、これは観測と整合しない。これを是正するにはダイラトンポテンシャルの導入が必要である。一方、axion および電磁的種子は大規模構造や初期宇宙磁場の生成に寄与する可能性があるが、axion のみが特定の条件下で物理的に妥当なスペクトルを生成する。

ABSTRACT

We present some phenomenological aspects of the pre-big-bang cosmological model inspired by the duality properties of string theory. In particular, assuming the spatial sections of the homogeneous background geometry to be isotropic, we discuss the quantum production of perturbations of the background fields (gravitons, dilatons, moduli fields), as well as the production of particles which do not contribute to the background, which we call ``seeds''. As such we consider the cases of electromagnetic and axionic seeds. We also discuss their possible observational consequences, for example, we study whether they can provide the origin of primordial galactic magnetic fields, and whether they can generate the initial fluctuations leading to the formation of large-scale structure and the measured cosmic microwave background anisotropies. We finally analyze axion and photon production in four dimensional anisotropic pre-big-bang cosmological models.

研究の動機と目的

• ストリング理論の双対性に由来する pre-Big-Bang (PBB) 宇宙論モデルにおける粒子生成の現象論的結果を探索すること。
• バックグラウンド場（重力子、ダイラトン、モジュライ）および非バックグラウンド場（「種子」）の量子揺らぎが、観測可能な初期宇宙構造を生成できるかどうかを評価すること。
• 電磁的または axion 種子が初期宇宙銀河磁場および大規模構造の起源を説明できるかどうかを検討すること。
• PBBモデルが観測された宇宙マイクロ波背景（CMB）不均一性を、特にスケール不変な揺らぎによって再現できるかどうかを評価すること。
• 4次元のPBBモデルにおける非等方性が粒子生成およびスペクトル的結果に与える影響を分析すること。

提案手法

• ストリング理論の低エネルギー有効作用素を $D$ 次元で用い、ダイラトン、反対称テンソル場 $B_{\mu\nu}$、物質作用 $S_M$ を含むことで宇宙論的方程式を導出する。
• スケール因子の双対性と時間反転対称性を用いて、通常のビッグバン以降の解を、加速的膨張を示すpre-big-bang解に写像する。
• pre- から post-big-bang 時期への移行期における真空中の揺らぎのパラメトリック増幅を分析し、スカラー、テンソル、およびダイラトン／モジュライ揺らぎに注目する。
• 「種子」場（電磁場および Kalb-Ramond axion）からの2次エネルギー運動量テンソル揺らぎを計算し、それらの幾何的影響を評価する。
• 温度不均一性の多重極展開を実施し、種子場がCMB揺らぎに与える寄与を定量化する。
• 等方的および非等方的4次元宇宙論モデルを検討し、内部次元の収縮速度の変化に応じて質量ゼロのaxionおよび光子のエネルギースペクトルを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pre-Big-Bangモデルは、CMB観測と整合するスケール不変な断熱揺らぎスペクトルを生成できるか？
• RQ2 電磁的種子揺らぎは、観測可能な初期宇宙磁場を生成するか、CMB不均一性に顕著に寄与するか？
• RQ3 質量が100 MeV未満のKalb-Ramond axionは、現在のデータと整合する平坦またはやや青傾斜のスペクトルを生成できるか？
• RQ4 ダイラトンポテンシャルの導入が、ダイラトンおよびモジュライ場揺らぎのスペクトル指数に与える影響は何か？
• RQ5 非等方的pre-Big-Bangモデルは、等方的モデルと比較して異なる粒子生成スペクトルをもたらすか？

主な発見

• PBBモデルにおけるテンソル計量揺らぎは、$n_T = 3$ の青傾斜スペクトルを示し、これは観測と整合しない。これを是正するにはダイラトンポテンシャルの導入が必要である。
• スカラー揺らぎは一般に赤傾斜スペクトル $n = 0$ を示し、これは観測と矛盾する過剰な大規模不均一性を引き起こす。これを是正するにはダイラトンポテンシャルの導入が必要である。
• 指数関数的ダイラトンポテンシャルを含めることで、ダイラトンおよびモジュライ場揺らぎはスケール不変なHarrison-Zel’dovichスペクトル（$n = 1$）を達成でき、CMBデータと整合する。
• 電磁的種子揺らぎは青傾斜スペクトルを示し、大スケールで急速に減衰するため、観測可能な初期宇宙磁場の生成には不適切であるが、CMB不均一性への寄与は無視できる。
• Kalb-Ramond axionは、内部次元の収縮速度に応じて平坦またはやや青傾斜のスペクトルを生成でき、妥当な仮定のもとで現在のデータと整合するスペクトル指数を示す。
• 4次元非等方的PBBモデルでは、axionスペクトルは赤方偏りの無限大に発散し、物理的に不適切な赤傾斜を示すが、光子スペクトルは依然として青傾斜のままであり、等方的モデルと同様の根本的問題を示している。