[論文レビュー] Particles and the Universe

G. Lazarides|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ホットビッグバンモデルとその短所（因果的領域問題、平坦性問題、磁気モノポール問題）をレビューし、スローロールスカラー場（インフレートン）が指数的膨張を引き起こすことでそれらがどのように解決されるかを示している。再結合、非熱的レプトゲネシスによるバリオン非対称性、ダークエネルギー（73％）、ダークマター（22％）、インフレーション由来の原始重力波の可能性検出について詳述し、量子重力理論や超弦理論への示唆を提示している。

ABSTRACT

The early stages of the universe evolution are discussed according to the hot big bang model and the grand unified theories. The shortcomings of big bang are summarized and their resolution by inflationary cosmology is sketched. Cosmological inflation, the subsequent oscillation and decay of the inflaton field, and the resulting reheating of the universe are studied in some detail. The density perturbations produced by inflation and the temperature fluctuations of the cosmic microwave background radiation are introduced. Baryogenesis via non-thermal leptogenesis is analyzed and dark energy and matter in the universe are presented. Quantum gravity and string theory are very briefly introduced. The problem of initial conditions for inflation is discussed in the light of string theory and the possibly detectable primordial gravity waves from inflation are mentioned.

研究の動機と目的

• 標準ビッグバンモデルにおける因果的領域問題、平坦性問題、磁気モノポール問題を解決すること。
• インフレーションによる密度揺らぎから大規模構造および宇宙マイクロ波背景放射の非一様性がどのように生じるかを説明すること。
• インフレートンの崩壊が右巻きニュートリノを生成する文脈において、非熱的レプトゲネシスによるバリオン非対称性生成を記述すること。
• 宇宙の組成（27％物質、73％ダークエネルギー、22％ダークマター）を分析し、LSPがR対称性保護のもとで最も有望な候補であることを示すこと。
• 初期条件の解消および原始重力波の検出における量子重力理論と超弦理論の役割を検討すること。

提案手法

• 相転移と対称性の破れを記述するため、ホットビッグバンモデルと統一理論（GUT）を用いて初期宇宙をモデル化する。
• 平坦なポテンシャルを持つスカラーインフレートン場を導入し、スローロールインフレーションを駆動させ、準指数的膨張を実現する。
• インフレートン場の崩壊が軽い粒子に分解され、再結合が起こり、標準ビッグバン宇宙の進化へと回復することを分析する。
• 右巻きニュートリノの非平衡崩壊による非熱的レプトゲネシスを用い、レプトンとヒッグスボソンへの崩壊によって原始的レプトン非対称性を生成する。
• 電弱スファレロン遷移を用いて、レプトン非対称性をバリオン非対称性に変換する。
• R対称性の制約のもとで、次に軽い超対称粒子（NLSP）との共消滅や共鳴的ペア消滅によってダークマターの残存密度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーションは、標準ビッグバンモデルにおける因果的領域問題をどのように解決するか？
• RQ2 インフレーション宇宙論において、観測された宇宙のバリオン非対称性はどのようなメカニズムで生成されるか？
• RQ3 インフレーション由来の原始密度揺らぎは、どのようにして宇宙マイクロ波背景放射の温度揺らぎを生じさせるか？
• RQ4 インフレートン場は、インフレーション終了後に宇宙を再加熱するために果たす役割は何か？
• RQ5 インフレーション由来の原始重力波は検出可能か？現在の観測がその振幅に課す制約は何か？

主な発見

• インフレーションは、因果的接触を広げ、空間曲率を平坦化することで、因果的領域問題と平坦性問題を解決する。
• プランク観測データにより、テンソル対スカラー比は r ≲ 0.06 に制約されており、原始重力波の上界が中程度であることが示唆される。
• 観測されたバリオン非対称性は、非熱的レプトゲネシスによって生成され、右巻きニュートリノの崩壊が原始的レプトン非対称性を生じ、その後スファレロン過程によってバリオン非対称性に変換される。
• ダークエネルギーは宇宙のエネルギー密度の73％を占め、コスモロジカル定数と整合的である。ダークマターは22％を占め、R対称性保護のおかげでLSPが最も有望な候補である。
• 超対称モデルでは、グレイビトロ問題を満たすために再結合温度が T_r ≲ 10^9 GeV に制限される。
• 超弦理論は量子重力の枠組みを提供し、コンact化された追加次元を伴うプレ・ビッグバン状態を通じてインフレーションの初期条件を説明する可能性を秘めている。