[論文レビュー] Vector field instability and the primordial tensor spectrum

Stefan Eccles, Willy Fischler+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、インフレーション以前に生成され、擬スカラー場との間にチェーン＝シモンズ項を介した結合を持つ古典的ベクトル場背景が、半古典的補正を通じて原始的テンソルスペクトルに観測可能な印影を残すかどうかを調査する。その結果、このような効果が生じるためには、古典的ベクトル場の運動量空間分布が高運動量領域（p ≳ 3000H）に支配的で、かつ量子揺らぎを上回る振幅を持つ必要があるが、そのような場を生成する物理的メカニズムは構築されていない。

ABSTRACT

It has recently been shown that the presence of a spectator pseudoscalar field, coupled to photons through a Chern-Simons term, can amplify the primordial tensor spectrum without observationally disrupting the primordial scalar spectrum. The amplification occurs due to an instability that develops for the vector fields. We consider the extension of previous studies to account for the contribution arising from an inhomogeneous vector background which is generated prior to the onset of inflation. We find that there may be contributions in which net momentum is transferred between the inhomogeneous vector background and the gravitons, which would give rise to a signature different than in the absence of the semiclassical corrections. We discuss the properties the classical vector field form must have in order for these signatures to leave observable imprints, though we were unable to construct a model for generating such a vector field.

研究の動機と目的

• インフレーション以前の古典的ベクトル場背景が原始的テンソルパワースペクトルに観測可能なシグナルを残すかどうかを評価すること。
• そのようなシグナルが検出可能であるための古典的ベクトル場の関数的形の必要条件を特定すること。
• ベクトル場のエネルギー密度と運動量分布が、テンソルモードの増幅を保ちつつバックレアクション制約を満たすかどうかを評価すること。
• インフレーション以前に、そのような古典的ベクトル場配置を生成する物理的メカニズムが可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 擬スカラー場と電磁場の間のチェーン＝シモンズ結合に起因するデ de Sitter 空間内でのベクトル場不安定性を分析する。
• ゆっくりとロールする均一な擬スカラー場が存在する状況下でのベクトル場モードの運動方程式を導出する。
• 非一様な古典的不均一ベクトル背景が重力子2点関数に与える半古典的寄与を評価する。
• バックレアクション制約を適用して、古典的ベクトル場のエネルギー密度を制限し、ρ_A ≪ ½ ̇χ² ≪ εH²M_P² を要求する。
• 高運動量領域（p ≳ 3000H）における古典的電場の振幅が量子揺らぎを上回ることを要求する。F_classical ≫ F_quantum とすること。
• インフレーション以前の段階における古典的および量子ベクトル場成分の赤方偏移を評価し、観測可能なスケールのモードに注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動量構造に不均一性を持つインフレーション以前の古典的ベクトル場背景が、原始的テンソルスペクトルに観測可能な印影を残すことができるか？
• RQ2 特定の性質を持つ古典的ベクトル場の運動量空間分布が、テンソル2点関数に対する検出可能な半古典的補正を生成するために満たすべき条件は何か？
• RQ3 十分な振幅と高運動量支配性（p ≳ 3000H）を持つ古典的ベクトル場を、インフレーション以前に物理的メカニズムで生成することは可能か？
• RQ4 バックレアクション制約は、古典的ベクトル場のエネルギー密度と空間的不均一性をどのように制限し、擬スカラーのゆっくりとしたロール進化を保つのか？
• RQ5 インフレーションへの遷移が古典的ベクトル場モードをどのように赤方偏移させるか。観測可能なスケールのモードが十分な振幅でホライズン内に残るか？

主な発見

• 観測可能な半古典的効果を得るためには、運動量分布がp ≳ 3000Hに集中し、かつ振幅が量子揺らぎを著しく上回る（F_classical ≫ F_quantum）古典的ベクトル場背景が必要である。
• バックレアクション制約 ρ_A ≪ ½ ̇χ² ≪ εH²M_P² により、古典的ベクトル場の全エネルギー密度が制限され、複数のモードが顕著に励起される可能性は低い。
• 最も楽観的な状況でも、高運動量モード（p ≳ 3000H）の数個のみが励起可能であり、それ以外のモードは観測的意義を失うほど赤方偏移する。
• 古典的ベクトル場の電場および磁場成分が、高運動量領域で量子揺らぎを上回るように調整され、観測可能な印影を残す必要がある。
• 理論的には観測シグナルの可能性は示されたが、そのような性質を持つ古典的ベクトル場配置を生成する物理的メカニズムは見つからなかった。
• インフレーションへの遷移により、古典的および量子ベクトル場成分の両方が赤方偏移するが、顕著な効果を残すためには、古典的場が高運動量領域で依然として支配的でなければならない。