[論文レビュー] Planck 2015. XX. Constraints on inflation

P. A. R. Ade, N. Aghanim+243 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Relativity and Gravitational Theory被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、温度および偏光におけるプランク全ミッションCMBデータを用いて、宇宙インフレーションの制約を提示している。スケール不変スペクトル指数は $n_s = 0.968 \pm 0.006$ であり、テンソル対スカラー比 $r_{0.002}$ に対するきつい上限 $r_{0.002} < 0.11$（95%信頼区間）が得られた。これらの結果は、$V(\phi) \propto \phi^2$ やネイチャラルインフレーションモデルを排除し、$R^2$ インフレーションなど、より小さい $r$ を予測するモデルを支持する。

ABSTRACT

We present the implications for cosmic inflation of the Planck measurements of the cosmic microwave background (CMB) anisotropies in both temperature and polarization based on the full Planck survey. The Planck full mission temperature data and a first release of polarization data on large angular scales measure the spectral index of curvature perturbations to be $n_\mathrm{s} = 0.968 \pm 0.006$ and tightly constrain its scale dependence to $d n_s/d \ln k =-0.003 \pm 0.007$ when combined with the Planck lensing likelihood. When the high-$\ell$ polarization data is included, the results are consistent and uncertainties are reduced. The upper bound on the tensor-to-scalar ratio is $r_{0.002} < 0.11$ (95% CL), consistent with the B-mode polarization constraint $r< 0.12$ (95% CL) obtained from a joint BICEP2/Keck Array and Planck analysis. These results imply that $V(\phi) \propto \phi^2$ and natural inflation are now disfavoured compared to models predicting a smaller tensor-to-scalar ratio, such as $R^2$ inflation. Three independent methods reconstructing the primordial power spectrum are investigated. The Planck data are consistent with adiabatic primordial perturbations. We investigate inflationary models producing an anisotropic modulation of the primordial curvature power spectrum as well as generalized models of inflation not governed by a scalar field with a canonical kinetic term. The 2015 results are consistent with the 2013 analysis based on the nominal mission data.

研究の動機と目的

• 高精度なプランクCMB温度および偏光データを用いて、宇宙インフレーションモデルを検証すること。
• 曲率摂動のスペクトル指数とその波数依存性を制約すること。
• 温度およびBモード偏光データを用いて、テンソル対スカラー比 $r$ に上限を設けること。
• $V(\phi) \propto \phi^2$、ネイチャラルインフレーション、$R^2$ インフレーションを含む特定のインフレーションモデルの妥当性を評価すること。
• 初期宇宙のパワースペクトル再構築とアディアバティック摂動からの逸脱を調査すること。

提案手法

• プランク全ミッション温度非均一性データと、初回の大型スケール偏光データの分析。
• $n_s$ および $dn_s/d\ln k$ の制約を強化するため、プランクレンズィング尤度との組み合わせ。
• BICEP2/Keckアレイデータと共同解析することで、Bモード偏光を用いてテンソル対スカラー比 $r_{0.002}$ を制約する。
• CMBデータから初期パワースペクトルを再構築するための3つの独立した手法の適用。
• インフレーション作用に非可換モードおよび非標準的運動項を含むモデルの調査。
• モデル予測を観測CMBパワースペクトルと比較するための尤度に基づく推論の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランク全ミッションデータから、曲率摂動のスペクトル指数およびその波数依存性にどのような制約が得られるか？
• RQ2 プランクは95%信頼区間で、テンソル対スカラー比 $r_{0.002}$ にどのような上限を設けるか？
• RQ3 プランクの結果は、通常ミッションデータに基づく以前の分析とどのように比較できるか？
• RQ4 $V(\phi) \propto \phi^2$、ネイチャルインフレーション、$R^2$ インフレーションといったインフレーションモデルのうち、どれがデータによって支持され、どれが排除されるか？
• RQ5 初期パワースペクトルは、アディアバティック摂動および標準的インフレーションモデルとどの程度整合しているか？

主な発見

• 温度およびレンズィングデータから、曲率摂動のスペクトル指数は $n_s = 0.968 \pm 0.006$ として測定された。
• レンズィングと組み合わせた場合、スペクトル指数の波数依存性は $dn_s/d\ln k = -0.003 \pm 0.007$ にきつく制約された。
• テンソル対スカラー比の上限は、95%信頼区間で $r_{0.002} < 0.11$ であり、Bモード制約 $r < 0.12$ と整合的である。
• $V(\phi) \propto \phi^2$ やネイチャルインフレーションのようなモデルは、より小さい $r$ を予測するモデル（例：$R^2$ インフレーション）と比較して今や排除される。
• 初期パワースペクトルを再構築する3つの独立した手法は一貫した結果を示し、アディアバティック初期摂動を支持する。
• データは、通常ミッションに基づく2013年のプランク結果と整合的であり、制約の安定性が確認された。