[論文レビュー] The Origin of Matter in the Universe: Reheating after Inflation

Lev Kofman|arXiv (Cornell University)|May 24, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、宇宙のインフレーション後の再加熱が、宇宙におけるすべての物質の起源であると調査し、特に爆発的プリヒーティングを伴うパラメトリック共鳴による粒子生成が摂動的崩壊よりも支配的であることを示している。再加熱温度が従来の推定よりもはるかに高くなることが示され、非摂動的相転移、バリオゲネシス、原始ブラックホールの抑制といった新しい宇宙論的現象を可能にする。

ABSTRACT

In the inflationary scenario all the matter constituting the universe was created from the process of reheating after inflation. Recent development of the theory of reheating is briefly reviewed. The list of topics includes elementary (perturbative) theory of reheating; quantum field theory in a time-varying background; parametric resonance and explosive particle creation; non-thermal phase transitions from reheating; baryogenesis from reheating; residual oscillations of the scalar field, and other cosmological applications.

研究の動機と目的

• インフレーション後の再加熱における粒子生成の非摂動的メカニズムを理解すること。
• カオス的インフレーションモデルにおける摂動的再加熱理論の限界を解消すること。
• パラメトリック共鳴によるプリヒーティングが、エントロピー生成、バリオゲネシス、トポロジカルな欠陥形成といった宇宙論的結果にどのように影響するかを調査すること。
• 非熱的粒子生成が初期宇宙における相転移と熱平衡化を引き起こす役割を評価すること。
• プリヒーティングのダイナミクスによって、リリックモノポールや原始ブラックホールの生成を抑制するという要件から、インフレーションモデルを制約すること。

提案手法

• 時間に依存する背景を持つフレドーリック＝ロバートソン＝ウォーカー時空におけるキルヒホッフ＝ゴードン方程式を用いてインフレートン場の時間発展を分析する。
• 曲がった時空における量子場理論を適用し、インフレートン場のコherent振動から生じる粒子生成をモデル化する。
• ポテンシャル $ V(\phi) = \frac{1}{2}m_\phi\phi^2 $ および $ V(\phi) = \frac{1}{4}\lambda\phi^4 $ を持つスカラー場理論におけるパラメトリック共鳴を調査し、広帯域および狭帯域共鳴領域を特定する。
• 特に強い結合系において、1ループ近似を超える非摂動的技法を用いて爆発的粒子生成を研究する。
• 熱平衡化過程と再加熱温度 $ T_r $ を評価し、非摂動的効果によって $ 10^9 $ GeV を超えることが示された。
• プリヒーティング中の場のフラクチュエーションによって引き起こされる対称性の破れを検討し、新しいタイプの非熱的相転移を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カオス的インフレーションにおける標準的摂動的再加熱シナリオに、プリヒーティング中のパラメトリック共鳴がどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 GUTスケールのモデルにおける非熱的粒子生成がバリオゲネシスに与える影響は何か？
• RQ3 プリヒーティングが原始ブラックホールおよびモノポールのようなトポロジカルな欠陥の形成を抑制できるか？
• RQ4 生成された粒子の大きな占有数が、再加熱における摂動的取り扱いの有効性にどのように影響するか？
• RQ5 場のフラクチュエーションによって引き起こされる非熱的相転移が、現実的なインフレーションモデルに課す制約は何か？

主な発見

• プリヒーティングは広帯域パラメトリック共鳴を経て進行し、熱的平衡状態の値をはるかに上回る占有数を持つ爆発的粒子生成を引き起こす。
• 再加熱温度 $ T_r $ は、非摂動的効果が摂動的崩壊率を上回る場合、$ 10^9 $ GeV よりも顕著に高くなる可能性がある。
• GUTスケールの対称性の破れを持つモデルですら、プリヒーティング中のフラクチュエーションによって非熱的相転移が発生しうる。
• 超重い粒子が非平衡状態で豊富に生成されるため、高温対称性の回復を必要とせずともバリオゲネシスが可能になる。
• プリヒーティング中に真空的状態から放射支配状態への状態方程式の急激な変化により、原始ブラックホールの生成が抑制される。
• 強い結合系では、1ループ近似が予測するよりもプリヒーティングが早期に終了し、$ n_E \sim 1/\alpha $ に達した時点で摂動理論の破綻が示唆される。