[論文レビュー] Reheating of the universe after inflation with f(phi)R gravity

Yuki Watanabe, Eiichiro Komatsu|CERN Bulletin|Dec 19, 2006

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、f(ϕ)R重力におけるインフレーション宇宙論において、インフレートン量子が非最小結合に起因する重力的相互作用を通じて物質場へ崩壊する、自発的再加熱のメカニズムを提案する。再加熱温度はインフレートンの真空期待値におけるf(ϕ)の微分から導かれるため、宇宙論的データからのモデルに依存しないf(ϕ)の自然な制約が得られる。

ABSTRACT

We show that reheating of the universe occurs spontaneously in a broad class of inflation models with f(phi)R gravity (phi is inflaton). The model does not require explicit couplings between phi and bosonic or fermionic matter fields. The couplings arise spontaneously when phi settles in the vacuum expectation value (vev) and oscillates, with coupling constants given by derivatives of f(phi) at the vev and the mass of resulting bosonic or fermionic fields. This mechanism allows inflaton quanta to decay into any fields which are not conformally invariant in f(phi)R gravity theories.

研究の動機と目的

• インフレートン-物質結合を明示的に導入しないf(ϕ)R重力において、再加熱が自然に起こることを示すこと。
• 非最小結合された重力における計量-スカラー混合を通じて、インフレートン量子と物質場の間の有効ヤヌキー相互作用の起源を特定すること。
• インフレートンの真空期待値におけるf(ϕ)およびその微分を用いて、再加熱温度を導出すること。
• 再加熱の制約が、インフレーションモデルにおけるf(ϕ)に対する独立した束縛を提供することを示すこと。
• f(ϕ)Rフレームワークにおけるgravitinoの過剰生成および超対称性理論的効果への影響を検討すること。

提案手法

• インフレートン-物質結合を含まない形で、作用を 𝒟 = √−g [½f(ϕ)R − ½g^{μν}∂_μϕ∂_νϕ − V(ϕ)] + ℒ_m として定式化する。
• 真空期待値 v のまわりでスカラー場を ϕ = v + σ と展開し、σ を量子揺らぎとみなす。
• 場の運動方程式を線形化し、計量摂動 h_{μν} を通じてσと物質場の有効相互作用を導出する。
• 新しい場 ˜h_{μν} = h_{μν} − ½ḡ_{μν}h − f′(v)/M_Pl² σ ḡ_{μν} を導入することで、混合波モードを対角化し、σ と重力の結合を分離する。
• 共形変換によりアインシュタイン架空に変換し、質量項および共変微分項から生じる有効ヤヌキー結合を特定する。
• フェルミオンおよびスカラー場の相互作用ラグランジアンを計算し、結合定数が f′(v)/M_Pl² に比例することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 f(ϕ)R重力において、明示的なインフレートン-物質結合がなくても再加熱が起こり得るか？
• RQ2 f(ϕ)R重力において、インフレートン量子と物質場の間の有効ヤヌキー相互作用の起源は何か？
• RQ3 再加熱温度は、真空期待値における関数形 f(ϕ) 及びその微分にどのように依存するか？
• RQ4 重力子の問題などの再加熱温度の制限から、f(ϕ) にどのような宇宙論的制約を課せられるか？
• RQ5 超対称性理論的効果および重力子生成は、この再加熱メカニズムとどのように関係するか？

主な発見

• 非最小結合重力における計量とスカラー場摂動の重力的混合により、明示的なインフレートン-物質結合がなくても、f(ϕ)R重力において再加熱が自発的に発生する。
• インフレートン量子σと物質場の有効ヤヌキー結合は、f′(v)/M_Pl² に比例する。ここでvはインフレートンの真空期待値である。
• フェルミオンおよびスカラー物質場は、それぞれアインシュタイン架空における質量項および共変微分項を通じて有効相互作用を獲得し、両者とも結合定数が f′(v)/M_Pl² に比例する。
• 再加熱温度は計算可能であり、f′(v)/M_Pl² および崩壊生成物の質量に依存し、観測的制約との直接的な関連を示す。
• f′(v) = 0 であれば、高次の微分 f′′(v), f′′′(v), ... が相互作用頂点を支配し、崩壊率が変化する。
• このメカニズムは、gravitino やその他のレリクスの過剰生成を避けるために、f(ϕ) が再加熱温度の制限によって制約されなければならないことを示唆する。