[論文レビュー] Post-inflationary thermalization and hadronization: QCD based approach

Prashanth Jaikumar, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、摂動的QCDを用いて、インフレーション後の宇宙における熱化およびハドロン化を調査し、インフレートンがクォークおよびグルーオンに崩壊する過程に注目している。一次の過程における熱化の timescale を特定し、再加熱温度がビッグバン核合成よりは高いが低い場合に、ハドロン化が熱化に不可欠な役割を果たすことを示しており、重イオン衝突と類似点と相違点を明らかにしている。

ABSTRACT

We study thermalization of the early Universe when the inflaton can decay into the Standard Model quarks and gluons, using perturbative QCD arguments. We comment on the nature of the thermal plasma of soft gluons and quarks that can be formed well before the completion of reheating. We also discuss hadronization while thermalizing the decay products of the inflaton. Hadronization becomes a part of thermalization especially when the reheat temperature of the Universe is sufficiently low but above the temperature of the Big Bang nucleosynthesis. We discuss relevant interaction rates of leading order processes and their corresponding thermalization time scale. We will also highlight similarities and dissimilarities vis-a-vis collider based ultra-relativistic heavy-ion collisions, concentrating especially on hadronization of the inflaton decay products.

研究の動機と目的

• インフレーションに続く初期宇宙における熱化を理解すること、特にインフレートンが標準模型のクォークおよびグルーオンに崩壊する場合に注目すること。
• 再加熱が完了する前における、ソフトグルーオンおよびクォークの熱プラズマの形成と進化を分析すること。
• 再加熱温度が低いがビッグバン核合成温度より高い場合に、ハドロン化が熱化プロセスの重要な要素となる条件を検討すること。
• 超相対論的重イオン衝突におけるものと同様に、インフレートン崩壊生成物の熱化およびハドロン化ダイナミクスを比較すること。

提案手法

• 初期宇宙におけるインフレートンのクォークおよびグルーオンへの崩壊をモデル化するために摂動的QCDを用いる。
• 熱化に関与する主要な過程の一次の反応率を計算する。
• これらの反応率と時間変化するエネルギー密度に基づいて、熱化の timescale を推定する。
• プリ・リハート状態におけるソフトグルーオンおよびクォークプラズマ形成の役割を分析する。
• 宇宙論的インフレートン崩壊における熱化およびハドロン化メカニズムを、加速器実験における重イオン衝突と比較する。
• 熱場理論の概念を適用して、宇宙論的状況下におけるQCDベースの手法の妥当性と関連性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次のQCD過程は、初期宇宙におけるインフレートン崩壊生成物の熱化をどのように支配するか？
• RQ2 プリ・リハート段階で生成されたソフトグルーオンおよびクォークの熱化に要する timescale は何か？
• RQ3 どのような条件下でハドロン化が熱化プロセスの重要な部分となるか？
• RQ4 インフレートン崩壊生成物の熱化は、超相対論的重イオン衝突におけるものとどのように比較できるか？
• RQ5 宇宙論的および加速器ベースの状況におけるハドロン化ダイナミクスの主な相違点は何か？

主な発見

• インフレートン崩壊生成物の熱化は、クォークおよびグルーオンの反応率に依存する一次のQCD過程によって生じ、その timescale が決定される。
• 再加熱が完了する以前に、ソフトグルーオンおよびクォークの熱プラズマが形成されており、早期の熱化ダイナミクスを示している。
• 再加熱温度が低いがビッグバン核合成温度より高い場合、ハドロン化が熱化プロセスにおいて重要な役割を果たす。
• インフレートン崩壊シナリオにおけるハドロン化ダイナミクスは、重イオン衝突と構造的に類似しており、特に非摂動的QCD効果の役割が共通している。
• 主な相違点は初期条件およびエネルギー密度の時間的変化に起因し、これが熱化およびハドロン化のタイミングと効率に影響を及ぼす。