[論文レビュー] SuperCool Inflation: A Graceful Exit from Eternal Inflation at LHC Scales and Below

Douglas Spolyar|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 67被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、QCDに類似したフェルミオンとヤコビ相互作用を持つインフレートンを含む、熱的で技術的に自然なプロセスを用いて永遠のインフレーションからの滑らかな脱出を実現する、SuperCool Inflation (SCI) のメカニズムを提案する。宇宙が冷却されるにつれ、凍結した非アーベルゲージ群がテープル項を引き起こし、偽真空を不安定化させ、スローロールやスカラー場のダイナミクスを必要とせずにインフレーションを終了させる。このメカニズムにより、LHCスケールでの検証可能なインフレーションが可能となり、軽いスぺクテーター・オートス場を介してCMBと整合する密度揺らぎが生成される。

ABSTRACT

In SuperCool Inflation (SCI), a technically natural and thermal effect gives a graceful exit to old inflation. The Universe starts off hot and trapped in a false vacuum. The Universe supercools and inflates solving the horizon and flatness problems. The inflaton couples to a set of QCD like fermions. When the fermions' non-Abelian gauge group freezes, the Yukawa terms generate a tadpole for the inflaton, which removes the barrier. Inflation ends, and the Universe rapidly reheats. The thermal effect is technically natural in the same way that the QCD scale is technically natural. In fact, Witten used a similar mechanism to drive the Electro-Weak (EW) phase transition; critically, no scalar field drives inflation, which allows SCI to avoid eternal inflation and the measure problem. SCI also works at scales, which can be probed in the lab, and could be connected to EW symmetry breaking. Finally, we introduce a light spectator field to generate density perturbations, which match the CMB. The light field does not affect the inflationary dynamics and can potentially generate non-Gaussianities and isocurvature perturbations observable with Planck.

研究の動機と目的

• 古いインフレーションにおける『滑らかな脱出』問題を解決する。ここではトンネル効果が遅すぎてインフレーションを終了できない。
• スローロールダイナミクスを排除することで、永遠のインフレーションと関連する測度問題を回避する。
• 低エネルギースケール（TeV以下）でのインフレーションを実現し、LHCで検証可能にする。
• インフレートン場に依存せずに、CMB観測と整合する断熱的密度揺らぎを生成する。
• 擬スカラーナンジュ・ゴールドストン粒子としての『オートス』場を介して、等曲率および非ガウス性揺らぎを生成する新しいメカニズムを導入する。

提案手法

• モデルは、コールドマン＝ワインバーグ型ポテンシャルを持つ複素スカラーインフレートン場を用い、ヤコビ相互作用によってQCDに類似したフェルミオンと結合する。
• 有限温度効果がインフレーション期に偽真空を安定化させ、トンネル効果を抑制する。
• 臨界温度 Tc に達すると、非アーベルゲージ群が凍結し、フェルミオン凝集体 ⟨λ̄λ⟩ ≃ Tc³ を形成する。
• この凝集体がインフレートンポテンシャルにテープル項を誘導し、障壁を消失させ、インフレーションを終了させる。
• スぺクテーター場（『オートス』場）として、ミスアライメント機構を介して等曲率揺らぎを生成する擬スカラーナンジュ・ゴールドストン粒子を導入する。
• インフレーション終了時にオートス場が振動し、放射能に崩壊してCMB観測と一致する断熱的密度揺らぎを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的で技術的に自然なメカニズムが、スローロールダイナミクスを必要とせずに永遠のインフレーションからの滑らかな脱出を可能にするか。
• RQ2 TeVスケールのエネルギーでインフレーションを達成可能であり、測度問題やプランクスケール超えの問題を回避できるか。
• RQ3 インフレートン場に依存せずに、断熱的密度揺らぎをどのように生成できるか。
• RQ4 オートスメカニズムが観測可能な非ガウス性を生成し、Planckによって検出可能な等曲率揺らぎを生じるか。
• RQ5 フェルミオン凝集体による真空不安定化というウィッテン型メカニズムが、スカラー場駆動インフレーションの代替として有効であるか。

主な発見

• モデルは、凍結した非アーベルゲージ群によって引き起こされる熱的で技術的に自然なテープル項メカニズムにより、インフレーションからの滑らかな脱出を達成する。
• インフレーションは Tc で急速に終了し、永遠のインフレーションと関連する測度問題を回避するが、偽真空は古典的に安定である。
• このメカニズムは技術的に自然であり、QCDスケールに類似しており、約 10^20 のスケール階層を示す。これは電弱スケールと同程度である。
• モデルはLHCエネルギースケール、またはそれ以下のスケールで動作するため、実験室で検証可能である可能性がある。
• オートス場は、CMB観測と整合する断熱的密度揺らぎに進化する等曲率揺らぎを生成する。
• モデルは観測可能な非ガウス性と等曲率モードを予測しており、Planck や将来のCMB実験で検出可能である可能性がある。