[論文レビュー] Preheating in FRW Universes

D. Boyanovsky, D. Cormier+4 more|ArXiv.org|Sep 30, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、大NにおけるO(N)模型を用いて、放射支配のフレリッド・ロバートソン・ウォーカー（FRW）宇宙におけるスピンダル不安定性またはパラメトリック共鳴による爆発的粒子生成であるプリヒーティングを検討する。宇宙膨張を組み込んだ場合でもプリヒーティングが持続することを示しており、ミンコフスキー空間と比較して粒子生成は減少する。また、最終状態にゴルドストーン粒子が存在することを示唆する、晩期挙動を支配する和則則を同定する。

ABSTRACT

The nonlinear time evolution of the quantum fields is studied in the O(N) model for large N in a radiation dominated FRW universe, with a view towards the phenomenon of explosive particle production due to either spinodal instabilities or parametric amplification, i.e. preheating. Quantum backreaction effects due to the produced particles are included consistently within the large N approximation. We find that preheating persists when the expansion is included, although the amount of particle production is reduced compared to the values found in Minkowski space. We also see that the behavior of the evolving zero mode is very different from that in Minkowski space, though the late time behavior in all cases is determined by a sum rule that implies the existence of Goldstone bosons in the final state.

研究の動機と目的

• 宇宙膨張が存在する放射支配のFRW宇宙において、スピンダル不安定性またはパラメトリック共鳴によって駆動されるプリヒーティングがどのように持続するかを理解すること。
• 放射支配のFRW背景における量子場の非線形時間発展を分析すること。
• 大N近似内で量子反作用効果を一貫して組み込むこと。
• 零モードの晩期挙動および最終粒子スペクトルがミンコフスキー空間とどのように異なるか、特にゴルドストーンモードに関してを特定すること。
• 最終状態を支配する和則則が存在するかどうかを確立し、対称性の自発的破れに伴いゴルドストーンボソンが存在することを示唆すること。

提案手法

• 相互作用する量子場の力学を簡略化するために、大N極限におけるO(N)模型を用いる。
• 放射支配の拡張宇宙をモデル化するためにFRW計量を用い、時間に依存する背景場を導入する。
• 粒子生成による反作用を含めた、量子場の非線形運動方程式を数値的に解く。
• 大N近似により、粒子生成による量子補正を背景発展に一貫して組み込むことができる。
• オーダーパラメータおよび対称性の破れのダイナミクスを研究するために、零モードの時間発展を追跡する。
• 和則則を導出し、その応用により系の晩期挙動を分析し、ゴルドストーンボソンの存在と関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射支配のFRW宇宙に宇宙膨張が存在する場合、プリヒーティングは持続するか？
• RQ2 量子反作用効果を組み込むことで、プリヒーティング中の粒子生成効率はどのように変化するか？
• RQ3 FRW空間における零モードの時間発展は、ミンコフスキー空間とどのように異なるか？
• RQ4 和則則は、プリヒーティング後の系の最終状態を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 最終状態は必然的にゴルドストーンボソンを含むのか？また、これは和則則によってどのように示唆されるか？

主な発見

• プリヒーティングはFRW宇宙でも持続するが、ミンコフスキー空間の場合と比較して、粒子生成の総量は減少する。
• 宇宙膨張の影響により、FRW空間における零モードの挙動はミンコフスキー空間とは顕著に異なる。
• 晩期ダイナミクスを支配する和則則が存在し、自発的対称性破れ後に最終状態にゴルドストーンボソンが存在することを保証する。
• 和則則は初期条件に依存せず、普遍的な性質を示しており、最終状態の普遍的特徴を示す。
• 量子反作用効果は一貫して組み込まれ、粒子生成を抑制するが、プリヒーティングそのものを消滅させはしない。
• 最終状態には有限個のゴルドストーンボソンが存在し、大規模な対称性の破れの文脈におけるゴルドストーン定理の予測と整合的である。