[論文レビュー] Recent Advances on Inflation

Sergei D. Odintsov, V. K. Oikonomou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 145被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、f(R)、f(R,ϕ)、および運動エネルギー補正付きf(R,ϕ)理論を含む、修正重力枠組みにおけるインフレーション宇宙論の最近の進展をレビューしている。特に、ストリング理論に由来するモデル、ホルンデスキーやチェーン＝シモンズ重力、そしてインフレーションのダイナミクスを実現し、観測可能な初期宇宙重力波を予測するとともに、初期および遅い時空の加速を統一的に記述する。主な結果として、修正重力が検出可能なCMB Bモード信号と確率的重力波背景に及ぼす影響が明確に示されている。

ABSTRACT

We review recent trends on inflationary dynamics in the context of viable modified gravity theories. After providing a general overview of the inflationary paradigm emphasizing on what problems of hot Big Bang theory inflation solves, and a somewhat introductory presentation of single field inflationary theories with minimal and non-minimal couplings, we review how inflation can be realized in terms of several string motivated models of inflation, which involve Gauss-Bonnet couplings of the scalar field, higher order derivatives of the scalar field, and some subclasses of viable Horndeski theories. We also present and analyze inflation in the context of Chern-Simons theories of gravity, including various subcases and generalizations of string corrected modified gravities which also contain Chern-Simons correction terms, with the scalar field being identified with the invisible axion, which is the most viable to date dark matter candidate. We also provide a detailed account of vacuum $f(R)$ gravity inflation, and also inflation in $f(R,ϕ)$ and kinetic-corrected $f(R,ϕ)$ theories of gravity. In the end of the review we discuss the technique for calculating the overall effect of modified gravity on the waveform of the standard general relativistic gravitational wave form.

研究の動機と目的

• f(R)、ホルンデスキーやチェーン＝シモンズの拡張を含む、修正重力理論が最小スカラー場モデルを超えてどのようにインフレーションのダイナミクスを実現するかを体系的に分析すること。
• これらのモデルが、高温ビッグバンモデルの水平線問題、平坦性問題、モノポール問題を解決する可能性を評価すること。
• 初期宇宙重力波およびスカラー摂動の理論的予測を、将来の観測計画（例：ステージ4CMB実験、LISA）と結びつけること。
• 宇宙歴史にわたる重力波波形に及ぼす修正重力の影響を定量化すること。

提案手法

• 最小および非最小結合スカラー場モデルにおける単一スカラー場インフレーションのスローロール指数とパワー スペクトルを導出すること。
• 高階微分項およびガウス＝ボンネット結合付きスカラー・テンソル理論の形式を応用し、妥当なインフレーションモデルを構築すること。
• アキソン様スカラー場を伴うチェーン＝シモンズ重力の分析を行い、見えないアキソンをダークマターおよびインフレートン候補として特定すること。
• 真空中のf(R)重力およびそのアインシュタイン形式双対（f(R,ϕ)および運動エネルギー補正付きf(R,ϕ)拡張を含む）を調査すること。
• 重力波伝播に及ぼす修正重力の総合的影響を統一的に計算するフレームワークを構築し、1つの有効補正項によってパrameter化すること。
• CMB、GW170817、NANOGravからの観測制約を用いて、モデルの妥当性を検証し、マルチバンド重力波シグネチャを予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場のガウス＝ボンネットおよび高階微分項結合を含むストリング理論に由来するモデルでは、インフレーションはどのように実現可能となるか？
• RQ2 スカラー場が見えないアキソンに同定される場合、チェーン＝シモンズ重力の宇宙論的意味は何か？
• RQ3 f(R)、f(R,ϕ)、および運動エネルギー補正付きf(R,ϕ)重力理論は、CMB観測と整合するほぼスケール不変な初期宇宙摂動スペクトルを生成できるか？
• RQ4 修正重力は、標準的一般相対性理論の重力波波形をどのように変更するのか？その修正を支配する有効パラメータは何か？
• RQ5 将来の実験で、複数周波数帯の重力波シグネチャは、競合するインフレーションモデルをどのように区別できるか？

主な発見

• 本論文は、ガウス＝ボンネットおよび高階微分項結合を含むストリング理論に由来するモデルが、観測可能な初期宇宙重力波信号を伴う妥当なインフレーションダイナミクスを生成できることを確立している。
• アキソン様スカラー場を伴うチェーン＝シモンズ重力は、同一の場がインフレートンおよびダークマター候補として機能できる統一的枠組みを提供し、現在の観測制約と整合的である。
• 真空中のf(R)重力およびその拡張は、特に共形不変性が保たれる場合に、CMB観測と一致するパワー スペクトルを持つインフレーションのアトラクタを生成する。
• 重力波分散関係に対する有効な修正は、1つのパラメータによって定量的に評価され、LISAおよびエインシュタイン・テレスコープからのマルチバンド観測によって制約可能である。
• NANOGravの確率的重力波背景が初期宇宙起源である場合、平坦スペクトルと周波数依存スペクトルのモデルを区別でき、特定の修正重力シナリオを支持する可能性がある。
• 将来のステージ4CMB実験およびLISAのような干渉型重力波探査機は、CMB Bモード偏光の検出を通じて、インフレーション理論の成否を決定的な証拠で示すと予想される。