[논문 리뷰] Anisotropic Inflation and Cosmological Observations

Razieh Emami|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 05.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 13

한 줄 요약

이 박사학위논문은 등각 대칭성을 깨지만 게이지 대칭성을 유지하는 다이내믹한 게이지 장에 의해 구동되는 이sovotropic 인플레이션 모델을 제안하며, 이는 초기 우주 편미분에 통계적 이방이성을 도입한다. 우주론적 편미분 이론과 일반화된 별개의 우주 형식론을 사용하여, 스펙트럼과 비스펙트럼에 대한 이방성 보정을 계산하고, TT, TE, TB, EB, BB 상관관계에서 고유한 CMB 서명을 도출한다. 이는 플랑크 및 향후 CMB 관측에서 검증 가능한 예측을 제공하며, 표준 등방성 FRW 모델을 배제할 수 있다.

ABSTRACT

Recent observations opened up a new window on the inflationary model building. As it was firstly reported by the WMAP data, there may be some indications of statistical anisotropy on the CMB map, although the statistical significance of these findings are under debate. Motivated by these observations, people begun considering new inflationary models which may lead to statistical anisotropy. The simplest possible way to construct anisotropic inflation is to introduce vector fields. During the course of this thesis, we study models of anisotropic inflation and their observational implications such as power spectrum, bispectrum etc. Firstly we build a new model, which contains the gauge field which breaks the conformal invariance while preserving the gauge invariance. We show that in these kind of models, there can be an attractor phase in the evolution of the system when the back-reaction of the gauge field becomes important in the evolution of the inflaton field. We then study the cosmological perturbation theory in these kind of models. More specifically, we calculate the anisotropic corrections due to the presence of the vector field. We then generalize the separate universe formalism to our anisotropic set up and use it in some specific examples of anisotropic inflation. Finally, we connect the primordial anisotropies to the specific examples and to CMB observations. We calculate the TT, TE, TB, EB and BB correlation in the model of charged scalar field model and look for the unique signatures that the anisotropic inflation can have on the CMB map. Any future detection of these statistical anisotropies would rule out the isotropic FRW models.

연구 동기 및 목표

• 등각 대칭성을 깨지만 게이지 대칭성을 유지하는 다이내믹한 게이지 장을 통해 타당한 이방성 인플레이션 모델을 구축하는 것.
• 역작용이 중요해질 때 인플라톤-게이지 장 시스템에서의 흡인자 행동을 조사하는 것.
• 벡터 장이 존재하는 상황에서 우주론적 편미분 이론을 사용하여 초기 스펙트럼과 비스펙트럼에 대한 이방성 보정을 계산하는 것.
• 비정규성 분석을 위해 별개의 우주 형식론을 이방성 인플레이션 모델로 일반화하는 것.
• 이론적 예측을 관측 가능한 CMB 상관관계 함수(TT, TE, TB, EB, BB)와 연결하고 고유한 이방성 서명을 식별하는 것.

제안 방법

• 등각 대칭성을 깨지만 게이지 대칭성을 유지하는 인플라톤에 결합된 게이지 장을 도입하여, 인플레이션 기간 동안 이방성 역학을 가능하게 하는 것.
• 우주론적 편미분에 대한 이차 작용을 유도하며, 느린 스피드 억제된 계량 기여와 주로 물질 부문의 변동을 식별하는 것.
• 벡터 장에 의해 유도된 이방성 상황에서, in-in 형식론을 적용하여 스펙트럼과 비스펙트럼을 계산하는 것.
• 비정규성과 대규모 구조 형성 연구를 위해 별개의 우주 형식론을 이방성 설정으로 일반화하는 것.
• 전하를 띤 스칼라 장 모델에서 CMB 상관관계(TT, TE, TB, EB, BB)의 각도 스펙트럼을 계산하여 통계적 이방성의 관측 가능한 인상을 추출하는 것.
• 구면 조화 함수 합산 규칙과 Wigner 3j-기호 항등식을 사용하여 각도 의존성을 단순화하고 CMB 스펙트럼의 L에 의존하는 조절 성분을 추출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이지 장 모델이 등각 대칭성을 깨면서도 게이지 대칭성을 유지하고, 인플레이션에서 흡인자 단계를 지원할 수 있는가?
• RQ2 벡터 장에 의해 구동되는 이방성 인플레이션에서, 초기 스펙트럼과 비스펙트럼에 대한 주요 이방성 보정은 무엇인가?
• RQ3 이 모델에서 통계적 이방성은 CMB 상관관계 함수(TT, TE, TB, EB, BB)에 어떻게 나타나는가?
• RQ4 별개의 우주 형식론은 이방성 인플레이션으로 일관되게 확장될 수 있는가? 비정규성을 계산하는 데에 활용할 수 있는가?
• RQ5 CMB 자료에서 이방성 인플레이션을 표준 등방성 FRW 모델과 구별하는 고유한 관측 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 역작용이 중요해질 때 인플라톤-게이지 장 시스템에서 흡인자 단계를 나타내며, 이방성 진화를 안정화시킨다.
• 스펙트럼에 대한 이방성 보정은 주로 물질 부문의 변동에 의해 지배되며, 느린 스피드 매개변수에 의해 억제되며, 계량 기여는 보조적인 역할을 한다.
• 별개의 우주 형식론은 성공적으로 이방성 인플레이션으로 일반화되었으며, 벡터 장에 의해 구동되는 비정규성 계산이 가능해졌다.
• CMB TT, TE, TB, EB, BB 상관관계 함수는 벡터 장에 의해 고유한 이방성 조절을 보이며, 구면 조화 함수 합산 규칙을 통해 특정한 각도 의존성이 유도되었다.
• 이 모델은 CMB 스펙트럼에 L에 의존하는 고유한 조절 성분을 예측하며, Wigner 3j-기호 항등식을 통해 Cl의 대각성분이 δL0 의존성을 보인다.
• 향후 이러한 통계적 이방성의 검출은 표준 등방성 FRW 우주론적 모델을 배제할 수 있다.