[論文レビュー] Reheating the Post Inflationary Universe

D. Boyanovsky, M. D’Attanasio+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 1995

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、インフレーション終了後のインフレートン場と軽いスカラーおよびフェルミオンとの結合における非平衡ダイナミクスを調査し、大きな振幅において単粒子崩壊率よりも著しく短い減衰 timescale が得られることを示している。その結果、特にカオス的インフレーションのシナリオにおいて、再熱温度は標準的な推定値から著しく逸脱する可能性がある。

ABSTRACT

We consider the non-equilibrium evolution of the inflaton field coupled to both lighter scalars and fermions. The dissipational dynamics of this field is studied and found to be quite different than that believed in inflationary models. In particular, the damping time scale for the expectation value of the zero momentum mode of the inflaton can be much shorter than that given by the single particle decay rate when the inflaton amplitudes are large, as in chaotic inflation scenarios. We find that the reheating temperature may depart considerably from the usual estimates.

研究の動機と目的

• インフレーション後のインフレートン場の非平衡的進化を理解すること、特に大きな場の振幅が存在するカオス的インフレーションの文脈において。
• 軽いスカラーおよびフェルミオンへの結合が、インフレートン場の減衰および熱化に与える影響を検討すること。
• 単一粒子崩壊率が再熱時間スケールを正確に決定するとする従来の仮定に疑問を呈すること。
• 摂動的崩壊率を用いて通常推定される再熱温度に与える影響を評価すること。
• 非平衡効果がインフレートンから放射能へのエネルギー転送を速め、標準的な再熱像を変えるかどうかを調査すること。

提案手法

• 非平衡量子場理論の技術を用いて、インフレートン場およびその崩壊生成物の時間発展をモデル化する。
• 非摂動的・非平衡的状況下で、インフレートン場の零モーメンタムモードの減衰率を分析する。
• スカラーおよびフェルミオンの崩壊チャネルを両方考慮し、大きなインフレートン振幅において非摂動的となる相互作用を組み込む。
• 有効場理論および実時間形式を用いて、インフレートンの自己エネルギーとスペクトル関数を計算する。
• 初期のインフレーション後期におけるインフレートン場の期待値およびその相関関数の動的方程式を解く。
• 得られた減衰時間スケールを標準的な単一粒子崩壊率と比較し、大きな振幅領域での逸脱を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きな場の振幅において、インフレートン場の零モードの減衰率は、単一粒子崩壊率からどの程度逸脱するか？
• RQ2 非平衡ダイナミクスが、インフレートンから軽い粒子へのエネルギー転送を加速する役割を果たすか？
• RQ3 スカラーおよびフェルミオンの崩壊チャネルが、インフレーション後宇宙における再熱プロセスにどのように寄与するか？
• RQ4 非摂動的効果が、標準的な再熱温度推定値をどの程度変えることができるか？
• RQ5 再熱に対する摂動的アプローチが、どのような領域で破綻するか？

主な発見

• インフレートンの零モーメンタムモードの減衰時間スケールは、インフレートン振幅が大きい場合には、単一粒子崩壊率よりも著しく短くなることがある。
• 非平衡効果により、インフレートン凝集体から軽い粒子へのエネルギー転送が速くなり、熱化の開始が加速される。
• 再熱温度は、摂動的崩壊率に基づく標準的推定値から著しく逸脱する可能性があり、特にカオス的インフレーションモデルにおいて顕著である。
• 大きな場の振幅では、単一粒子崩壊ではなく、集団的・非摂動的効果が支配的である。
• 非平衡進化における中間状態の生成および記憶効果により、有効な減衰率が増幅される。
• 結果から、標準的な再熱像は、初期宇宙におけるエネルギー転送の速度を低く見積もっている可能性があると示唆される。