[論文レビュー] Probing inflation models with gravitational waves

Valerie Domcke|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、擬スカラーインフレートンがアーベルゲージ場と結合することで、tachyonic不安定性が誘発され、インフレーション期に重力波（GW）の生成が強化されることを提案している。この結果、非摂動的ゲージ場生成が高周波数GWスペクトルを著しく増幅し、Starobinsky型モデル（p=2）が、先進的LIGOおよびeLISAによる検出にとって最も有望な候補となる。これにより、GW干渉計を用いてインフレーションの微視的物理学を直接探査可能となる。

ABSTRACT

A direct detection of primordial gravitational waves is the ultimate probe for any inflation model. While current CMB bounds predict the generic scale-invariant gravitational wave spectrum from slow-roll inflation to be below the reach of upcoming gravitational wave interferometers, this prospect may dramatically change if the inflaton is a pseudoscalar. In this case, a coupling to any abelian gauge field leads to a tachyonic instability for the latter and hence to a new source of gravitational waves, directly related to the dynamics of inflation. In this contribution we discuss how this setup enables the upcoming gravitational wave interferometers advanced LIGO/VIRGO and eLISA to probe the microphysics of inflation, distinguishing between different universality classes of single-field slow-roll inflation models. We find that the prime candidate for an early detection is a Starobinsky-like model.

研究の動機と目的

• 擬スカラーインフレートンがアーベルゲージ場と結合することで、標準のスローロール予測を超えて観測可能な初期宇宙の重力波（GW）を生成するメカニズムを調査すること。
• 近い将来のGW干渉計（先進的LIGO/VIRGOおよびeLISA）が、この増幅されたGW信号を検出可能かどうか、および、単一場スローロールインフレーションモデルの異なる普遍性クラスを区別できるかを特定すること。
• スカラー・ポテンシャルのべき乗則的挙動を示すさまざまなインフレーションモデルの中で、CMB制約を満たしつつも、GW信号強度を最大限に高めるモデルを同定すること。
• スカラースペクトル指数 $n_s$ やテンソル対スカラー比 $r$ などのインフレーションパラメータを制約するため、CMB測定と将来的なGW観測の相補的関係を探索すること。

提案手法

• 擬スカラーインフレートン $\phi$ が $\mathcal{N}$ 個のアーベルゲージ場と、相互作用ラグランジアン $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim \phi F_{\mu\nu} \tilde{F}^{\mu\nu}/\Lambda$ を介して結合するモデルを構築する。
• インフレートンおよびゲージ場のフラクチュエーションの運動方程式を導出し、$\xi = \alpha |\dot{\phi}| / (2\Lambda H)$ が大きくなると、ゲージ場の片方のヘリシティモードにtachyonic不安定性が生じることを示す。
• 誘導されるエネルギー密度 $\langle \vec{E} \cdot \vec{B} \rangle \propto H^4 / \xi^4 e^{2\pi\xi}$ を計算し、これがインフレートン方程式における有効な減衰項として作用し、スローロールダイナミクスを変更することを示す。
• 増幅されたテンソルパワースペクトル $\Omega_{\text{GW}} \propto (H/M_P)^2 \left(1 + 10^{-7} \mathcal{N} H^2 / (M_P^2 \xi^6) e^{4\pi\xi} \right)$ を計算し、高周波数領域での強い増幅を示す。
• 単一場スローロールモデルを $\epsilon_V \sim \beta / N^p$ でパラメータライズし、指数 $p$ によって普遍性クラスに分類し、これらのクラスにわたるGWスペクトルをマップする。
• 数値的および解析的ツールを用いて、Starobinskyモデル（$p=2$）のパラメータ空間を $\alpha/\Lambda$ および $\gamma$ の観点からマッピングし、CMB制約下でLIGOおよびeLISAによる検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 擬スカラーインフレートンがアーベルゲージ場と結合することで、標準のスローロールスペクトルを超えて検出可能な初期宇宙の重力波の増幅が生じるか？
• RQ2 スカラー・ポテンシャルのべき乗則的挙動を特徴づける指数 $p$ を持つ単一場インフレーションモデルの普遍性クラスの中で、CMB制約を満たしつつも高周波数GW信号を最大限に高めるのはどのクラスか？
• RQ3 先進的LIGOおよびeLISAの予想される感度は、特に $p=2$ の場合に、擬スカラーインフレーションモデルのパラメータ空間をどの程度探査可能か？
• RQ4 将来的な重力波観測は、増幅されたGWスペクトルの周波数依存形状に基づいて、さまざまなインフレーションモデルをどの程度区別できるか？
• RQ5 このメカニズムは、初期宇宙の他の観測可能性にどのような影響を及えるか。例えば、初期ブラックホール形成やCMBの $\mu$-歪みの形成に関する影響は？

主な発見

• 擬スカラーインフレーションにおけるゲージ場のtachyonic不安定性は、非摂動的ゲージ場モード生成を引き起こし、高周波数領域での初期宇宙の重力波スペクトルを著しく増幅する。
• 増幅されたGWスペクトルは $\Omega_{\text{GW}} \propto (H/M_P)^2 \left(1 + 10^{-7} \mathcal{N} H^2 / (M_P^2 \xi^6) e^{4\pi\xi} \right)$ とスケーリングし、$\xi$ が大きい領域では第二項が支配的となり、強く周波数依存で、ヘリシティに依存する信号を形成する。
• すべての単一場スローロールモデルの中で、$p=2$ のStarobinsky型モデルが高周波数領域で最も強いGW信号を発生させ、先進的LIGOおよびeLISAによる検出の最有力候補となる。
• Starobinskyモデルのパラメータ空間は $\alpha/\Lambda$ および $\gamma$ についてマッピングされ、LIGO O2およびO5ラン、およびeLISAの予想感度が、有効なパラメータ空間の広い範囲を探査可能であることが示された。
• CMBによるスカラースペクトル指数 $n_s$ および非ガウス性の制約は、特に高 $p$ モデル（例：ヒルトップインフレーション）では、観測と整合するためには $\alpha/\Lambda$ を小さくする必要があるため、パラメータ空間を強く制限する。
• 本モデルは、初期ブラックホール形成、$N_{\text{eff}}$ に寄与する過剰な放射、およびCMBスペクトルにおける検出可能な $\mu$-歪みといった、追加の観測可能なシグナルを予測する。