[論文レビュー] Quantum Cosmology and the Structure of Inflationary Universe

Andrei Linde|ArXiv.org|Aug 8, 1995

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 9被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、宇宙の波動関数、確率的インフレーション、再熱メカニズムを用いて、量子宇宙論およびインフレーション宇宙構造を検討する。パラメトリック共鳴がインフレーション後の効率的プリヒートを駆動することを示し、ボソン的モデルでは爆発的再熱が生じるが、フェルミオン的モデルではそうではない。また、通常はプリヒート生成物の摂動的崩壊によって熱化が進行し、バリオゲネシスおよびダークマターのモデルに影響を与える。

ABSTRACT

In this review I consider several different issues related to inflation. I will begin with the wave function of the Universe. This issue is pretty old, but recently there were some new insights based on the theory of the self-reproducing inflationary universe. Then we will discuss stationarity of inflationary universe and the possibility to make predictions in the context of quantum cosmology using stochastic approach to inflation. Returning to more pragmatic aspects of inflationary theory, we will discuss inflationary models with $Ω< 1$. Finally, we will describe several aspects of the theory of reheating of the Universe based on the effect of parametric resonance.

研究の動機と目的

• 宇宙の波動関数とハートル＝ホーキング状態を用いた、宇宙の量子的起源の理解を目的とする。
• 確率的インフレーションとユークリッド経路積分法を用いて、インフレーション宇宙の自己複製的性質を分析することを目的とする。
• インフレーション後物質生成の文脈において、非摂動的再熱メカニズム、特にパラメトリック共鳴を調査することを目的とする。
• 爆発的再熱が発生する条件と、それが最終的な再熱温度および熱化に与える影響を特定することを目的とする。
• スカラー場理論における不完全な再熱が、ダークマターおよびバリオゲネシスに与える影響を評価することを目的とする。

提案手法

• 境界条件 $a=0$ および $\phi=\phi_0$ の下でユークリッド経路積分から導かれたハートル＝ホーキング宇宙の波動関数を用いる。
• デ de Sitter 空間上でのユークリッド作用 $S_E = -3/(16V(\phi))$ を用いて、「何もなし」からの量子的生成確率を計算する。
• 密度揺らぎのモデル化およびインフレーション領域の自己複製を記述するために、確率的インフレーション技術を適用する。
• 振動するインフレートン場を用いた、拡張時空におけるプリヒートの分析に、マチウ方程式を用いる。
• 広帯域と共鳴条件および結合定数の強さを比較することで、再熱効率を評価する。
• プリヒート生成物の摂動的崩壊理論を適用して、最終的な熱化段階をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙の波動関数は、インフレーション時空の量子的生成を記述する上で果たす役割は何か？
• RQ2 確率的インフレーションと量子宇宙論から、インフレーションの自己複製的性質はどのように生じるか？
• RQ3 パラメトリック共鳴がインフレーション後に爆発的再熱を引き起こす条件は何か？
• RQ4 なぜフェルミオン的崩壊は爆発的再熱を防ぎ、再熱温度にどのように影響するのか？
• RQ5 プリヒート後に標準的摂動的再熱理論を用いて最終的熱化段階を正確にモデル化できるか？

主な発見

• スケール因子 $a = H^{-1}$ の宇宙の量子的生成確率は $\mathcal{P} \propto \exp(-S_E) = \exp(3/(8V(\phi)))$ であり、ユークリッド作用から導出される。
• ハートル＝ホーキング波動関数 $\Psi_0(a,\phi) \sim \exp(-S_E(a,\phi))$ は、半古典的近似において基底状態波動関数を提供する。
• 純粋にボソン的崩壊を行うモデルでは、広帯域共鳴によるプリヒートは極めて効率的であり、小さな結合定数でさえも爆発的になり得る。
• インフレートン崩壊がフェルミオン（例：グラビトニ）を生成するモデルでは、広帯域共鳴が存在しないため、爆発的再熱は発生しない。
• プリヒート生成物に対して摂動的崩壊を適用する際、元のインフレートン場に対して適用するのとは異なり、最終的な再熱温度がしばしば変化する。
• 単一の $\phi$-粒子が他の粒子に崩壊できない理論では、再熱は完全に完了しないことがあり、スカラー場がダークマターの役割を果たす可能性を示唆する。