[論文レビュー] Role Of Dissipative Effects In The Quantum Gravitational Onset Of Warm Starobinsky Inflation In A Closed Universe

Meysam Motaharfar, Parampreet Singh|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 97被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、ループ量子宇宙論（LQC）における閉じた宇宙の枠組みで、温かいスタロビンスキーインフレーションにおける散逸的粒子生成が、インフレーションの開始をどのように強化するかを調査している。著者らは、三つの異なる散逸状況を導入し、エントロピー生成がヒステリシス的ダイナミクスを強化し、望ましい初期条件の位相空間を著しく拡大することを示しており、冷たいインフレーションが失敗する極めて不利な条件下ですら、迅速かつ安定したインフレーションを可能にする。

ABSTRACT

A problematic feature of low-energy-scale inflationary models, such as Starobinsky inflation, in a spatially closed universe is the occurrence of a recollapse and a big crunch singularity before inflation can even set in. In a recent work, it was shown that this problem can be successfully resolved in loop quantum cosmology for a large class of initial conditions due to a nonsingular cyclic evolution and a hysteresislike phenomenon. However, for certain highly unfavorable initial conditions, the onset of inflation was still difficult to obtain. In this work, we explore the role of dissipative particle production, which is typical in warm inflation scenario, in the above setting. We find that entropy production sourced by such dissipative effects makes hysteresislike phenomena stronger. As a result, the onset of inflation is quick in general, including for highly unfavorable initial conditions where it fails or is significantly delayed in the absence of dissipative effects. We phenomenologically consider three warm inflation scenarios with distinct forms of dissipation coefficient and from dynamical solutions and phase-space portraits find that the phase space of favorable initial conditions turns out to be much larger than in cold inflation.

研究の動機と目的

• 空間的に閉じた宇宙において、再収縮やビッグクラッシュ特異点がインフレーションを妨げる可能性がある低エネルギーインフレーションモデルにおける初期条件の課題に対処すること。
• ループ量子宇宙論（LQC）において、温かいインフレーションにおける散逸的粒子生成が、インフレーションの開始を安定化および加速できるかどうかを検討すること。
• 特異点を解消する非特異的サイクル的進化を実現したが、極端な初期条件では依然として失敗していた従来のLQCの結果を、散逸効果を組み込むことで一般化すること。
• 冷たいインフレーションと比較して、散逸効果が成功したインフレーションに適した初期条件の位相空間をどの程度拡大するかを定量化すること。

提案手法

• スタロビンスキー型ポテンシャルを有する閉じたフレドキン＝ロバートソン＝ウォーカー宇宙における温かいインフレーションの設定を定式化する。
• インフレートン場に関する定数、線形、二次の三つの異なる散逸係数（γ）のパラメトリック形を導入し、異なる温かいインフレーション状態をモデル化する。
• ループ量子宇宙論から導かれる有効な力学的方程式を用いて、量子重力補正をモデル化し、特異点を非特異的バウンスに置き換える。
• 運動エネルギー対ポテンシャルエネルギー比および状態方程式（ω）の進化を追跡するために、動的解および位相空間図を用いて系を分析する。
• 成功したインフレーションへの吸引域の拡大を評価するために、温かいインフレーションと冷たいインフレーションのダイナミクスを比較する。
• 膨張と収縮の過程における圧力の非対称性によって駆動されるヒステリシス的挙動の役割を評価し、散逸効果によるエントロピー生成がその挙動を強化することを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LQCにおける閉じた宇宙の枠組みで、温かいインフレーションにおける散逸的粒子生成が、極めて不利な初期条件においてインフレーション開始に失敗するのを克服できるか？
• RQ2 LQCにおける非特異的サイクル的進化で観察されるヒステリシス的ダイナミクスに、散逸の導入がどのように影響するか？
• RQ3 閉じたLQCフレームワークにおいて、温かいインフレーションは冷たいインフレーションと比較して、どの程度初期条件の位相空間が拡大するか？
• RQ4 定数、線形、二次の三つの異なる散逸係数の形におけるインフレーション開始ダイナミクスに、定性的および定量的な違いは何か？
• RQ5 散逸効果によるエントロピー生成が、再収縮を回避し、加速膨張を可能にするために必要な条件を強化するか？

主な発見

• 散逸効果はLQCにおいてヒステリシス的現象を顕著に強化し、膨張と収縮の段階における圧力の非対称性が強化される。
• 冷たいインフレーションと比較して、温かいインフレーションでは、インフレーションに適した初期条件の位相空間が著しく拡大しており、特に極端な初期条件において顕著である。
• すべての三つの散逸状況において、インフレーションの開始が迅速かつ安定的に行われる。散逸がない場合に失敗または遅延する状況でも同様である。
• 運動エネルギー対ポテンシャルエネルギー比が、温かいインフレーションにおいてより効果的に低下し、状態方程式が−1/3未満に低下する速度が速くなり、加速膨張が早期に発生する。
• エントロピー生成のおかげで、再収縮を抑制し、非特異的サイクル的進化を支持するより安定で効率的なインフレーションへの移行が実現される。
• 動的解および位相空間図の両方から、散逸を伴う温かいインフレーションが、冷たいインフレーションよりも速くかつ信頼性の高い方法でde Sitter吸引子に到達することが確認された。