[論文レビュー] Particle Physics and Inflationary Cosmology

Andrei Linde|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

この基盤的書籍はインフレーション宇宙論の視点から素粒子物理学と宇宙論を統合し、急激な初期膨張段階における量子揺らぎが大規模構造の種を提供したと提唱する。ゲージ理論の対称性の自発的破れと統一理論がインフレーションの理論的枠組みを提供し、観測と整合する平坦で均一な宇宙を導く。これにより、微視的および巨視的物理学の統一的画像が提示される。

ABSTRACT

This is the LaTeX version of my book "Particle Physics and Inflationary Cosmology'' (Harwood, Chur, Switzerland, 1990). I decided to put it to hep-th, to make it easily available. Many things happened during the 15 years since the time when it was written. In particular, we have learned a lot about the high temperature behavior in the electroweak theory and about baryogenesis. A discovery of the acceleration of the universe has changed the way we are thinking about the problem of the vacuum energy: Instead of trying to explain why it is zero, we are trying to understand why it is anomalously small. Recent cosmological observations have shown that the universe is flat, or almost exactly flat, and confirmed many other predictions of inflationary theory. Many new versions of this theory have been developed, including hybrid inflation and inflationary models based on string theory. There was a substantial progress in the theory of reheating of the universe after inflation, and in the theory of eternal inflation. It's clear, therefore, that some parts of the book should be updated, which I might do sometimes in the future. I hope, however, that this book may be of some interest even in its original form. I am using it in my lectures on inflationary cosmology at Stanford, supplementing it with the discussion of the subjects mentioned above. I would suggest to read this book in parallel with the book by Liddle and Lyth "Cosmological Inflation and Large Scale Structure,'' with the book by Mukhanov "Physical Foundations of Cosmology,'' to be published soon, and with my review article hep-th/0503195, which contains a discussion of some (but certainly not all) of the recent developments in inflationary theory.

研究の動機と目的

• 高エネルギー素粒子物理学と宇宙現象の間の理論的橋渡しを確立すること、特に宇宙の大規模構造の起源に焦点を当てる。
• 統一ゲージ理論における対称性の自発的破れが指数関数的膨張（インフレーション）を引き起こす仕組みを示すこと。
• インフレーションが平坦性、視野、モノポール問題といった主要な宇宙論的問題をどのように解決するかを示すこと。
• 真空エネルギー、バリオジェネシス、多宇宙のシナリオに対するインフレーションの意味を検討すること。
• 高エネルギーにおける量子場理論と重力の枠組みを用いて、初期宇宙を理解するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 初期宇宙における相転移を記述するために、対称性の自発的破れを伴う統一理論（GUT）を用いる。
• 曲がった時空における量子場理論を適用し、指数的膨張を駆動するスカラー場（例：インフレートン）をモデル化する。
• 量子色力学（QCD）における漸近的自由性を統合し、超高密度物質の高温状態の振る舞いを記述する。
• 偽真空の崩壊とバブル核生成の概念を用いて、相転移によるインフレーションの開始をモデル化する。
• インフレーション後の再熱ダイナミクスを分析し、粒子生成と宇宙の熱的歴史を結びつける。
• 量子揺らぎに基づく恒久的インフレーションと多宇宙の概念を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一ゲージ理論における対称性の自発的破れは、初期宇宙で指数的膨張を引き起こす仕組みとしてどのように機能するか？
• RQ2 スカラー場の量子揺らぎが、宇宙背景放射に観測される初期密度揺らぎを生成する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ3 インフレーションは、標準ビッグバンモデルの視野問題、平坦性問題、モノポール問題をどのように解決するか？
• RQ4 高エネルギー物理学、特に漸近的自由性とGUTスケールの相転移が、初期宇宙の熱的歴史と構造形成に与える影響は何か？
• RQ5 インフレートン場における量子揺らぎからどのように恒久的インフレーションが生じるか？そして、これは多宇宙のグローバル構造にどのような意味を持つのか？

主な発見

• インフレーションは、小さな因果的連結領域を指数関数的に膨張させることで、視野問題、平坦性問題、モノポール問題を自然に解決する。
• インフレーション期におけるインフレートン場の量子揺らぎが、大規模構造と宇宙背景放射の非一様性の種を生成する。
• 理論は、観測データ（COBE、WMAP、およびその後のミッション）と整合するほぼスケール不変な揺らぎスペクトルを予測する。
• 宇宙は空間的に平坦またはほぼ平坦であると予測され、現代の宇宙論的データで裏付けられている。
• インフレーションのダイナミクスにより、偽真空状態の後に宇宙の再熱が可能となり、熱的ビッグバンと熱平衡状態が形成される。
• このフレームワークは、一部の領域で宇宙が恒久的にインフレートしている可能性を示唆し、異なる領域で異なる低エネルギー物理学が成立する多宇宙の構造を生じる。