[論文レビュー] Unifying Brane World Inflation with Quintessence

M. Sami, Naresh Dadhich|ArXiv.org|May 3, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ガウス＝ボンネット修正を施したブレーンワールド宇宙論における単一スカラー場を用いて、ブレーンワールドインフレーションとクインテッセンスの統一を提案する。インスタントプリヒーティングを用いることで、非振動的モデルの効率的な再加熱が可能となり、過剰なリリック重力波を回避し、核合成制約を満たす。ガウス＝ボンネット補正を含めると、急勾配の指数的ポテンシャルも観測的に許容可能になる。

ABSTRACT

We review the recent attempts of unifying inflation with quintessence. It appears natural to join the two ends in the framework of brane world cosmology. The models of quintessential inflation belong to the class of {\it non-oscillatory} models for which the mechanism of conventional reheating does not work. Reheating through gravitational particle production is inefficient and leads to the excessive production of relic gravity waves which results in the violation of nucleosynthesis constraint. The mechanism of {\it instant preheating} is quite efficient and is suitable for brane world quintessential inflation. The model is shown to be free from the problem of excessive production of gravity waves. The prospects of Gauss-Bonnet brane world inflation are also briefly indicated.

研究の動機と目的

• ブレーンワールド宇宙論における単一スカラー場フレームワーク内で、初期のインフレーションと後期のクインテッセンスを統一すること。
• 重力的粒子生成が非効率であるため、従来の再加熱が非振動的モデルで失敗する問題を解決すること。
• ボリューム作用にガウス＝ボンネット補正を含めることで、急勾配の指数的ポテンシャルが観測制約から救われるかどうかを調査すること。
• インスタントプリヒーティングがブレーンワールドクインテッセンシャルインフレーションモデルにおいて、頑健な再加熱メカニズムとして有効であるかどうかを評価すること。
• スカラースペクトル指数とテンソル対スカラー比に関するWMAP制約と整合性があるかどうかを評価すること。

提案手法

• インフレーション場およびクインテッセンス場として機能する単一スカラー場モデルを採用し、ゆっくりとスローロールインフレーションから後期のダークエネルギー支配へと進化する。
• ブレーンワールドの設定において、二次のエネルギー密度補正とボリューム作用にガウス＝ボンネット項を含む修正されたフレリッドマン方程式を用いる。
• 非摂動的粒子生成を通じて非振動的段階中にインスタントプリヒーティングを適用し、長期間にわたる運動エネルギー領域を回避する。
• 低エネルギーで一般相対性理論を回復させるために、有効4次元ニュートン定数と宇宙定数の微調整条件を導出する。
• RS（ランダル＝スンドル）およびGB（ガウス＝ボンネット）の両領域において、指数的ポテンシャルのスペクトル指数 $n_S$ とテンソル対スカラー比 $R$ を評価する。
• 数値解析を用いて、$\mathcal{N} = 50, 60, 70$ のエーフォールドについて $R$ と $n_S$ のプロットを作成し、WMAPの $1\sigma$ および $2\sigma$ 観測等高線と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一スカラー場モデルは、ブレーンワールドフレームワーク内で、宇宙論的制約に反しない形でインフレーションとクインテッセンスを統一できるか？
• RQ2 従来の再加熱はなぜ非振動的クインテッセンシャルインフレーションモデルで失敗するのか？ そして、宇宙を効率的に再加熱する代替メカニズムは何か？
• RQ3 ボリューム作用におけるガウス＝ボンネット補正は、フレリッドマン方程式にどのように影響を与え、急勾配インフレーションポテンシャルの実現可能性にどのように作用するか？
• RQ4 ガウス＝ボンネット項を含めることで、急勾配の指数的ポテンシャルが $n_S$ および $R$ に関するWMAP観測と整合的であるか？
• RQ5 インスタントプリヒーティングは、リリック重力波生成を抑制し、ビッグバン核合成と整合性を保つために果たす役割は何か？

主な発見

• インスタントプリヒーティングは非常に効率的であり、非振動的モデルにおける重力的粒子生成が引き起こす過剰なリリック重力波を回避する。
• 急速な再加熱プロセスにより、初期重力波の成長が抑制されるため、核合成制約と整合的である。
• 指数的ポテンシャルの場合、ガウス＝ボンネット項は高エネルギーGB領域において、初期密度摂動の正確なスケール不変スペクトルをもたらす。
• 中間GB-RS領域では、$\mathcal{N} = 70$ エーフォールドの範囲で、急勾配インフレーションが $2\sigma$ 観測境界内に位置する。
• 中間GB領域では、スペクトル指数 $n_S$ が増加し、テンソル対スカラー比 $R$ が減少するため、WMAPデータとの一致が向上する。
• 本モデルは、従来の標準RSブレーンワールドでは除外されていた急勾配ポテンシャルが、ガウス＝ボンネット補正を含めると実現可能であることを示している。