[論文レビュー] Thermal and quantum induced early superstring cosmology

F. Bourliot, John Estes+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 37被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、宇宙をトーラスに閉じ込められたスーパーヒモのガスとしてモデル化し、ユークリッド時間とコンパクト化された次元における境界条件を通じて、熱的および超対称性の破れ効果を組み込むことで、初期宇宙宇宙論の超弦理論的枠組みを提案する。非定常的進化が普遍的に放射支配解へ誘導することを示し、内部次元を動的に拡張させるとともに他の次元を安定化させ、インフレーション宇宙論のUV完全な代替案を提供する。

ABSTRACT

In this work, we review the results of Refs [1]-[5] dedicated to the description of the early Universe cosmology induced by quantum and thermal effects in superstring theories. The present evolution of the Universe is described very accurately by the standard Lambda-CDM scenario, while very little is known about the early cosmological eras. String theory provides a consistent microscopic theory to account for such missing epochs. In our framework, the Universe is a torus filled with a gas of superstrings. We first show how to describe the thermodynamical properties of this system, namely energy density and pressure, by introducing temperature and supersymmetry breaking effects at a fundamental level by appropriate boundary conditions. We focus on the intermediate period of the history: After the very early "Hagedorn era" and before the late electroweak phase transition. We determine the back-reaction of the gas of strings on the initially static space-time, which then yields the induced cosmology. The consistency of our approach is guaranteed by checking the quasi-staticness of the evolution. It turns out that for arbitrary initial boundary conditions at the exit of the Hagedorn era, the quasi-static evolutions are universally attracted to radiation-dominated solutions. It is shown that at these attractor points, the temperature, the inverse scale factor of the Universe and the supersymmetry breaking scale evolve proportionally. There are two important effects which result from the underlying string description. First, initially small internal dimensions can be spontaneously decompactified during the attraction to a radiation dominated Universe. Second, the radii of internal dimensions can be stabilized.

研究の動機と目的

• 初期宇宙宇宙論のUV完全な記述を、超弦理論を用いて開発し、インフレーション以前の時代の理解不足に対処すること。
• ユークリッド時間とコンパクト化された次元における境界条件を通じて、根本的に熱的効果と超対称性の破れを組み込むこと。
• ヒモのガスが時空幾何に与えるバックレアクションを分析し、第一原理から誘導された宇宙論的進化を導出すること。
• 超弦理論が初期進化の過程で次元の変化を動的に生成し、内部次元を安定化させられるかを検討すること。
• この枠組みがインフレーションの代替案としての可能性を評価すること、特にHagedorn状態と均一性の達成に関して。

提案手法

• 初期宇宙をヒモのガスを有するトーラス的コンパクト化としてモデル化し、1ループのユークリッドヒモ分配関数を用いてエネルギー密度と圧力を計算する。
• ユークリッド時間に沿った周期的境界条件を導入して温度を実装し、内部コンパクト次元における非自明な境界条件を用いて超対称性の破れを実装する。
• ヒモ作用から導かれる低エネルギー有効運動方程式を解き、急激な変化を避けるために準静的進化を仮定する。
• 内部半径のダイナミクスを分析し、超対称性の破れに参加するもの（おそらく拡張される）と安定化されるものとを区別する。
• スケール因子 a(t) とラプス関数 N(t) を用いて、大規模幾何をフレドキン＝レマートル＝ロバートソン＝ウォーカー（FLRW）計量で記述する。
• Hagedorn時代の終焉から電弱相転移までの進化を、時間 t_E ≪ t ≪ t_W の中間的時期に焦点を当てて研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーヒモ理論における熱的および量子的効果は、初期インフレーション段階を必要とせずに、放射支配の宇宙論的進化をもたらすか？
• RQ2 ヒモのガスの熱力学と超対称性の破れの影響を受ける内部コンパクト次元は、どのように進化するか？
• RQ3 初期宇宙進化の過程で、内部次元が拡張されるか、あるいは安定化されるかを決定するのは何か？
• RQ4 この超弦理論的枠組みは、どれほど自然に均一的・等方的・平坦な宇宙を生成するか？
• RQ5 この枠組みは、Hagedorn遷移を解消する点で、標準インフレーション的シナリオのUV完全な代替案を提供できるか？

主な発見

• Hagedorn時代の終焉における初期境界条件にかかわらず、ヒモのガスの準静的進化は普遍的に放射支配解（RDS）へ引き寄せられる。
• RDSの吸引子において、温度、逆スケール因子、および超対称性の破れスケールが比例的に進化し、普遍的なスケーリング行動を示している。
• 超対称性の破れに参加する内部次元は、動的に拡張され得るため、有効時空次元が増加する。
• 超対称性の破れに参加しない内部次元は、ヒモのガスの熱的および量子的バックレアクションによって安定化される。
• このモデルは顕著なインフレーションを予測しないが、ヒモのガス段階における吸引子ダイナミクスによって均一性と平坦性を達成する。
• この枠組みは、量子場理論の発散を回避するUV有限な初期宇宙論の一貫した記述を提供する。