[論文レビュー] Probing String Theory with Modulated Cosmological Fluctuations

Lev Kofman|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用数 148

ひとこと要約

本稿では、インフレーション期に軽いモジュリまたはディラトン場によって引き起こされる結合定数の空間的非一様性を介して、初期宇宙におけるほぼスケール不変な曲率揺らぎを生成する新しいメカニズムを提案する。長波長のスカラー場の揺らぎによって生じるこれらの変調された結合定数は、プリヒーティング期に等方的揺らぎを生成し、その後曲率揺らぎに変換される。これは、インフレーション子ポテンシャルの調整を必要とせず、ストリング理論に由来する標準的なインフレーション子駆動型揺らぎの代替手段を提供する。

ABSTRACT

Superstring theory, models with extra dimensions and other SUSY models generically predict that the coupling constants are in fact vacuum expectation values of fields like the dilaton, moduli etc. Assuming some of these fields are light during inflation, we get generation of small classical inhomogeneities in these fields from inflation. Consequently, coupling constants inherit small inhomogeneities at scales much larger than the causal horizon in the early universe. After the moduli get pinned down to their minima, the spatial variations of coupling constants in the late time universe will be erased. However, inhomogeneities in coupling constants in the very early universe would generate modulated large scale fluctuations in all relic species that are produced due to interactions and freezing out. Moreover (p)reheating of the inflaton field results in modulated curvature fluctuations. Even if the standard inflaton fluctuations are suppressed, in this picture we may have pure curvature cosmological fluctuations entirely generated by the modulated spatial variations of the coupling constants during preheating.

研究の動機と目的

• 超弦理論およびモジュリ場の宇宙論的揺らぎに現れる観測可能なシグネチャーを探索すること。
• インフレーション中に生成された結合定数の空間的非一様性が、大スケール宇宙論的揺らぎにどのように寄与するかを明らかにすること。
• インフレーション子ポテンシャルに依存しない曲率揺らぎ生成メカニズムを、変調された再結合（reheating）を介して提案すること。
• プリヒーティングおよび再結合ダイナミクスの文脈において、変調された揺らぎの観測的妥当性を調査すること。
• 超弦理論のコンactificationスケールおよびモジュリ場を、観測可能なCMBおよび大規模構造の非一様性と結びつけること。

提案手法

• インフレーション期に長波長の非一様性をとる軽いモジュリまたはディラトン場を伴う初期宇宙をモデル化する。
• これらの場が超視界スケールで結合定数（例：ゲージ結合定数やユカワ結合定数）を変調すると仮定する。
• 特に非摂動的プリヒーティング期における再結合プロセスへの空間的に変化する結合定数の影響を分析する。
• 再結合温度 $ T_r $ の変動に起因する放射の等方的揺らぎを、$ \delta\alpha/\alpha $ と関連づけて導出する。
• 再結合後に重力支配が支配的になるため、これらの等方的揺らぎが曲率揺らぎに効率的に変換されることを示す。
• 最終的な曲率揺らぎの振幅が $ \delta\rho/\rho \sim \delta\chi / \chi $ に比例することを確立し、特定の条件下でスケール不変スペクトルが得られることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュリ場の空間的非一様性は、宇宙の残存粒子における観測可能な変調された揺らぎを引き起こすか？
• RQ2 プリヒーティング期にインフレーション子の揺らぎに依存せずに、結合定数の変動から曲率揺らぎをどれほど生成できるか？
• RQ3 再結合期における変調された結合定数が、曲率揺らぎのパワー・スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 このような変調された揺らぎがCMBおよび大規模構造に現れる観測的シグネチャーは何か？
• RQ5 このメカニズムは、インフレーション子ポテンシャルの微調整を必要とせず、標準的なインフレーションモデルの有効な代替手段となるか？

主な発見

• インフレーション期におけるモジュリ場の空間的非一様性は、超視界スケールで結合定数の長波長古典的非一様性を生成する。
• これらの変調された結合定数は、プリヒーティング期に放射の等方的揺らぎを引き起こし、その振幅は $ \delta\alpha/\alpha $ に比例する。
• 再結合後に重力支配が支配的になるため、放射の等方的揺らぎは効率的に曲率揺らぎに変換される。
• 結果として得られる曲率揺らぎはほぼスケール不変であり、インフレーション子ポテンシャルに依存せず、構造形成のための新しいメカニズムを提供する。
• インフレーション子揺らぎが抑制される極限において、変調された曲率揺らぎが支配的となり、標準的なインフレーションモデルの有効な代替手段となる。
• このメカニズムはプリヒーティング領域で安定しており、重力波の振幅レベル $ \sim H/M_P $ で観測可能な効果を生じる可能性を有する。