[論文レビュー] Preheating and Reheating in Inflationary Cosmology: a pedagogical survey

D. Boyanovsky, H. J. de Vega+2 more|ArXiv.org|Aug 31, 1996

History and Developments in Astronomy参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

この教育的サーベイは、インフレーション宇宙論におけるプレヒーティングとリハーミングをレビューし、インフレートン崩壊期におけるパラメトリック共鳴による非摂動的粒子生成に焦点を当てる。初期時空のダイナミクスを分析するためのマチウ方程式およびラメ方程式の近似を検討し、バックレアクションを含む自己無撞着でエネルギー保存型の計算の重要性を強調するとともに、自発的対称性破れ理論における対称性の回復を検討し、インフレーション後の熱化を包括的に記述するフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Recent progress in the preheating phenomena for inflationary cosmology is reviewed. We first discuss estimates of the preheating time scale and particle production at the early stages of parametric amplification within the Mathieu and Lam'e approximations and we analyze their precision and limitations. The necessity of self-consistent calculations including the non-linearity of the field theory equations in an energy conserving scheme is stressed. The large N calculations including the field back-reaction are reviewed. For spontaneously broken theories the issue of symmetry restoration is analyzed. A discussion of the possibility and criterion for symmetry restoration is presented.

研究の動機と目的

• インフレーション宇宙論におけるプレヒーティングおよびリハーミングのメカニズムについて、教育的概説を提供すること。
• マチウ方程式およびラメ方程式の近似が初期時空における粒子生成を記述するうえで有効であるか、その有効性と限界を分析すること。
• 非摂動的ダイナミクスにおいて、バックレアクションを含む自己無撞着でエネルギー保存型の計算が不可欠であることを強調すること。
• 自発的対称性破れ場理論におけるプレヒーティング段階での対称性回復の条件と基準を調査すること。
• 大N計算を用いて、インフレーション後の進化における非線形ダイナミクスと熱化を研究するフレームワークを提示すること。

提案手法

• インフレートンの振動領域におけるパラメトリック共鳴をモデル化するためのマチウ方程式の使用。
• プレヒーティングにおける空間的に不均一なモードをより正確に扱うためにラメ方程式を適用すること。
• 場の運動方程式にバックレアクション効果を組み込むために、自己無撞着でエネルギー保存型のスキームを実装すること。
• 非摂動的補正を体系的に含め、非線形ダイナミクスを扱うために大N技術を用いること。
• 時間に依存する有効ポテンシャルに注目し、スカラー場理論における対称性の回復を分析すること。
• 摂動的および非摂動的手法を用いて、熱化の開始と粒子生成率の評価を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プレヒーティングの時間スケールは何か？ また、マチウ方程式およびラメ方程式の近似を用いることで、どの程度正確に推定できるか？
• RQ2 バックレアクション効果は、プレヒーティング期のダイナミクスおよび粒子生成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 自発的対称性破れ理論において、プレヒーティング段階で対称性が回復する条件は何か？
• RQ4 摂動的および半古典的近似が非摂動的粒子生成を記述するうえで有効でない限界は何か？
• RQ5 大N計算は、プレヒーティングにおける非線形ダイナミクスおよび熱化の記述をどの程度改善するか？

主な発見

• マチウ近似はプレヒーティングの時間スケールを良好に推定できるが、空間的不均一性やバックレアクション効果を正確に捉えることはできない。
• ラメ近似は、特に空間的に変化するモードに対して、パラメトリック共鳴をより正確に記述できるが、依然として有効近似にとどまる。
• 自己無撞着でエネルギー保存型の計算にバックレアクションを含めることは、粒子生成および熱化の予測を信頼できるものにするために不可欠である。
• 自発的対称性破れ理論において、時間平均されたインフレートン場が有効ポテンシャルの臨界値を超える場合、プレヒーティング段階で対称性の回復が生じる可能性がある。
• 大N計算は、非摂動的効果がダイナミクスを支配し、急速な粒子生成とインフレートンから他の場へのエネルギー効率的転送を引き起こすことを示している。
• 本論文は、インフレートンの振幅と有効ポテンシャルの形状の相乗作用に基づく、対称性回復の基準を確立している。