[論文レビュー] Ricci Reheating on the Lattice

Daniel G. Figueroa, Toby Opferkuch+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2024

Relativity and Gravitational Theory被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、有限期間のqdSからキネーションへの遷移中に非最小結合のスペクテータ場を介したRicci再加熱を研究し、格子シミュレーションを用いて非線形のバックリアクションを捉え、再加熱条件を決定する。

ABSTRACT

We study the dynamics of a non-minimally coupled (NMC) scalar spectator field in non-oscillatory inflationary scenarios, where there is a transition from inflation to kination domination (KD). Engineering a realistic finite-duration transition through a CMB-compatible inflaton potential, we calculate the initial tachyonic growth of the NMC field during KD and perform lattice simulations of the subsequent non-linear dynamics. We characterize the regularization effect on the tachyonic growth, either due to self-interactions, or via gravitational backreaction when the NMC field grows to dominate the energy of the universe. Our study provides the first realistic treatment of the dynamics, with significant improvements compared to previous work, where one or more of the following aspects were assumed: ($i$) the background expansion can be neglected during the tachyonic growth, ($ii$) coherence of the NMC field, ($iii$) coherence of the inflaton, ($iv$) instantaneous transition, and ($v$) a KD equation of state of exactly $w = 1$. Using our methodology, which requires none of the above assumptions, we determine the conditions to achieve proper reheating, i.e. energetic dominance of the NMC field over the inflaton. We characterize the time and energy scales of the problem, either for backreaction due to self-interactions, or (as a novelty of this work) due to gravitational effects. Finally, we calculate $\mathcal{O}(1)$ lattice correction factors to analytic scaling relations derived by some of us in previous work. This enables simple future studies without the need to run lattice simulations.

研究の動機と目的

• non-minimally coupled (NMC) scalarシナリオにおける再加熱前のBBN前ダイナミクスを動機づけ、調査する。
• CMB制約と整合する有限期間のqdS-KD遷移をモデル化し、NMC場のtachyonic成長を研究する。
• 再加熱効率に対する非線形バックリアクション（重力バックリアクションおよび自己相互作用）を定量化する。
• 線形近似を超えて結合インフレーターとNMC場を進化させる格子ベースのフレームワークを開発する。

提案手法

• 制御可能な速度パラメータ beta を用いて、qdS-KD遷移を実現するダブルプラトーインフレーター勢を用いる。
• L_chi = -1/2 g^{mu nu}∂_mu chi ∂_nu chi - 1/2 xi R chi^2 - V(chi) を用いる非最小結合スペクテータ chi を導入する。
• CosmoLattice を用いて格子上で phi と chi の結合運動方程式を解き、膨張・バックリアクション・非線形ダイナミクスを含める。
• 二つのバックリアクション領域を探索する：V(chi)=0 の重力バックリアクションと、V(chi)= (lambda/4) chi^4 の自己相互作用バックリアクション。
• 初期条件として chi を、結 构時刻量子化からのタコニック増殖スペクトルで初期化し、初期の線形成長を捉える。
• CMB 観測値 (A_s, n_s, r) を用いて膨張期のパラメータを制約し、許容されるベンチマーク点 (BP1, BP2) にマッピングする。

Figure 1: Dependence of the spectator field’s effective potential $V_{\text{eff}}(\chi)\equiv V(\chi)+\frac{1}{2}\xi R\chi^{2}$ on the dynamics of the inflaton field $\phi$ . For illustration purposes we have considered a quartic potential for $V(\chi)$ . In the lower panel we show the inflationary

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション後にNMC場（chi）がインフレーターに対してエネルギー支配を達成する条件は何か？
• RQ2 Ricci再加熱中のtachyonic成長を重力バックリアクションと自己相互作用バックリアクションはどのように調整するか？
• RQ3 現実的なqdS-KD遷移におけるRicci再加熱に関連する時間スケール(N_rh)およびエネルギー/温度スケール(E_rh/T_rh)は何か？
• RQ4 有限遷移速度(beta) は chi の進化と再加熱過程にどのように影響するか？
• RQ5 格子結果は将来の研究のために解析的スケーリング関係へのO(1)補正を提供できるか？

主な発見

• NMC場のtachyonic成長は、重力バックリアクションまたは自己相互作用のいずれかによって抑制され、放射様の時代への遷移またはスクリーニングされた不安定性へと収束する。
• 重力バックリアクションはRicciスカラーをゼロへと駆動し、バックリアクション後に chi のエネルギー密度を放射成分としてスケールさせる（rho_chi ~ a^{-4}）。
• 自己相互作用バックリアクション（lambda > 0）はtachyonic質量をスクリーンし、chi がエネルギー的に従属していても成長を終結させ得る。
• 格子アプローチは非線形ダイナミクスを捉え、解析的スケーリング関係へのO(1)格子補正因子を提供し、将来の推定を容易にする。
• 本研究は、CMB整合パラメータを用いた現実的なqdS-KD遷移モデルと、異なる遷移速度を探索するベンチマーク（BP1、BP2）を提供する。
• V(chi)=0 の場合、chi のエネルギーが最終的に支配的となり、NMCセクターに起因して宇宙は放射時代として進化する、という simulaitons の結果。

Figure 2: Allowed region of parameter space ( shaded orange ) that satisfies all inflation constraints from Eqs. 5 , 6 , 7 and 8 . Additionally the two benchmark points we consider further are shown.