[論文レビュー] Particle production from symmetry breaking after inflation

J. García-Bellido, E. Ruiz Morales|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、インフレーション後の対称性の破れが、急激なタキオン的プリヒーティングを引き起こし、長波長モードのスピンダル成長を通じて高速な粒子生成を引き起こすと提案している。このメカニズムにより、顕著なボソンおよびフェルミオンの粒子が生成され、超大質量のダークマター形成およびレプトゲネシスによるバリオン非対称性生成の新しい道筋を提供する。

ABSTRACT

Recent studies suggest that the process of symmetry breaking after inflation typically occurs very fast, within a single oscillation of the symmetry-breaking field, due to the spinodal growth of its long-wave modes, otherwise known as `tachyonic preheating'. We show how this sudden transition from the false to the true vacuum can induce a significant production of particles, bosons and fermions, coupled to the symmetry-breaking field. We find that this new mechanism of particle production in the early Universe may have interesting consequences for the origin of supermassive dark matter and the generation of the observed baryon asymmetry through leptogenesis.

研究の動機と目的

• インフレーション後の偽真空状態から真の真空状態への急速な遷移期における粒子生成のダイナミクスを調査すること。
• 対称性破れ場の長波長モードのスピンダル成長が、どのように急速な粒子生成を駆動するかを理解すること。
• このメカニズムの宇宙論的意味を、超大質量のダークマターおよびレプトゲネシスによるバリオン非対称性生成の観点から探求すること。

提案手法

• 偽真空状態と真の真空状態の最小値を持つポテンシャルを持つスカラー場を用いて、対称性破れ場をモデル化すること。
• 膨張する背景空間における場の長波長量子揺らぎの時間発展を、線形化された運動方程式を用いて分析すること。
• 対称性破れ遷移期におけるスピンダル不安定性により、指数関数的に成長するタキオン的（虚数質量）モードを同定すること。
• 曲がった時空における量子場理論を用いて、対称性破れ場に結合するボソンおよびフェルミオンの粒子生成率を計算すること。
• 生成された粒子のエネルギー密度および数密度を評価し、その宇宙論的意義を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション後の対称性破れはどの程度の速さで発生し、真の真空状態への急速な遷移を引き起こす要因は何か？
• RQ2 対称性破れ場のスピンダルモードは、粒子生成にどの程度寄与するか？
• RQ3 この段階におけるボソンおよびフェルミオンの粒子生成の大きさとスペクトルは何か？
• RQ4 このメカニズムは、観測された超大質量のダークマターの豊度を説明できるか？
• RQ5 このプロセスは、初期宇宙におけるレプトゲネシスによるバリオン非対称性生成の有効なメカニズムを提供するか？

主な発見

• 偽真空から真の真空への遷移は、タキオン的プリヒーティングのおかげで、対称性破れ場の1周期内に発生する。
• 場の長波長モードがスピンダル不安定性により指数関数的に成長し、急速な粒子生成を駆動する。
• 対称性破れ場のダイナミクスによって、ボソンおよびフェルミオンの両方の顕著な生成が誘発される。
• このメカニズムは、重い粒子のコherent生成を通じて、自然に超大質量のダークマター候補を生成する可能性を有する。
• このプロセスは、初期宇宙における観測されたバリオン非対称性を生成するための潜在的な道筋を提供する。