[논문 리뷰] Eternal inflation and collapse theories

Rosa-Laura Lechuga, Daniel Sudarsky|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 02.

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 양자 우주론에서 영속적 팽창 문제를 해결하기 위해 공간의 균일성과 동질성을 깨뜨리는 수정된 자발적 붕괴 이론(CSL형)을 도입함으로써 초기 우주의 밀도 불균일성을 생성한다. 이 이론은 모드 파장 수에 따라 붕괴율의 의존성을 조정함으로써 영속적 팽창을 피하면서도 천체 구조 형성에 유리한 스펙트럼을 유지함을 보여준다.

ABSTRACT

The eternal inflation problem continues to be considered one of standard's cosmology most serious shortcomings. This arises when one considers the effects of "quantum fluctuations" (QF) on the zero mode of inflaton field during a Hubble time in the inflationary epoch. In the slow-roll regime it is quite clear that such QF could dwarf the classical rolling down of the inflaton, and with overwhelming probability this prevents inflation from ever ending. When one recognizes that QF can not be taken as synonymous of stochastic fluctuations, but rather intrinsic levels of indefiniteness in the quantities, one concludes that the eternal inflation problem simply does not exist. However, the same argument would serve to invalidate the account for the generation of the primordial seeds of cosmic structure. In order to do address that issue, one must explain the breaking of homogeneity and isotropy of the early inflationary epoch. The so called spontaneous collapse theories offer an additional element namely the stochastic and spontaneous state reduction characteristic of those proposals possesses the basic features to break those symmetries. In fact, a version of the CSL theory adapted to the cosmological context has been shown to offer a satisfactory account for the origin the seeds of cosmic structure with an adequate power spectrum, and will serve as the basis of our analysis. However, once such stochastic collapse is introduced into the theoretical framework the eternal inflation problem has the potential reappear. In this manuscript we explore those issues in detail and discuss an avenue that seems to allow for a satisfactory account for the generation of the primordial inhomogeneities and anisotropies while freeing the theory from the eternal inflation problem.

연구 동기 및 목표

• 양자 플럭투에이션이 인플라톤 장이 포텐셜 최소점으로 굴러가지 못하게 하여 발생하는 인플레이션 우주론에서의 영속적 팽창 문제를 해결하기 위해.
• 초기 불균일성을 생성하기 위해 필수적인 균일성과 동질성의 붕괴 메커니즘과 영속적 팽창을 피하는 것 사이의 조화를 이루기 위해.
• 자발적 붕괴 이론이 대칭성을 깨뜨리고 천체의 씨앗을 생성할 수 있는가를 검토하면서, 이러한 이론이 인플라톤의 영점 모드에 적용되었을 때 영속적 팽창 문제를 재진입하는가를 조사하기 위해.
• 영속적 팽창을 방지하면서도 CMB와 BAO와 같은 천체관측 결과와 일치하는 조건을 유지하기 위해 붕괴율 매개변수에 대한 조건을 유도하기 위해.
• 모드 파장 수에 따라 의존하는 수정된 붕괴율이 영속적 팽창 문제를 억제하면서도 표준적인 초기 구조 형성 메커니즘을 손상시키지 않는다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 연속적인 자발적 국소화(CSL) 이론의 우주론적 변형을 팽창 시기의 상황에 적용하여 확률적이고 자발적인 상태 축소 메커니즘을 도입한다.
• 장 모드의 파장 수에 따라 붕괴율을 수정함으로써 영점 모드(가속 팽창의 원인)가 붕괴 영향을 받지 않도록 보장한다.
• 입자 시조를 초월하는 물리적 파장을 가진 모드들이 영속적 팽창 문제의 핵심 요소임을 확인한다. 이들은 상당한 양자 플럭투에이션을 경험할 수 있다.
• 관측 가능한 모드와 영속적 팽창을 유도할 수 있는 잠재적 모드를 모두 고려한 수정된 붕괴율 함수를 사용하여 붕괴율 매개변수(α 및 b)에 대한 조건을 유도한다.
• 우주론적 매개변수(예: 허블 스케일, 플랑크 질량, 인플라톤 질량)의 추정치를 활용하여 매개변수 공간을 제약하고 붕괴율에 대한 정량적 한계를 도출한다.
• CMB와 BAO 관측 결과의 제약 조건을 적용하여, 모델이 관측 가능성을 유지하면서도 영속적 팽창을 피할 수 있도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자발적 붕괴 이론이 초기 불균일성을 생성할 수 있는 동시에 영속적 팽창 문제를 재진입하는가?
• RQ2 붕괴율이 모드 파장 수에 따라 어떻게 의존하는가에 따라 인플라톤 영점 모드의 안정성과 영속적 팽창 가능성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 영속적 팽창 문제를 방지하면서도 천체 구조에 유리한 스펙트럼을 유지하기 위한 붕괴율 매개변수(α 및 b)에 대한 조건은 무엇인가?
• RQ4 붕괴 이론을 통한 측정 문제 해결이 유한 시간 내에 팽창이 끝나야 한다는 요구 조건과 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ5 우주론적 맥락에서 효과적인 붕괴율이 맥락에 따라 달라질 수 있는가? 이러한 유연성은 영속적 팽창 문제를 해결하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 붕괴율이 조건 $10^{15}\frac{1}{\alpha+2}\left(\frac{2\pi}{b\tau}\right)^{\alpha} < 1$ 를 만족할 경우 영속적 팽창 문제가 발생하지 않으며, 이 조건은 적절한 α 및 b 값에서 달성 가능하다.
• 영점 모드는 척도 불변 성질 덕분에 붕괴 영향을 받지 않아, 양자 플럭투에이션에 의해 유도되는 폭발적 팽창을 방지한다.
• 입자 시조를 초월하는 물리적 파장을 가진 모드들이 영속적 팽창을 유도할 주요 후보이며, 이들의 거동은 수정된 붕괴율에 의해 제어된다.
• 특히 $b \leq 10^{-3}\,\text{Mpc}^{-1}$ 인 매개변수 값들이 존재하며, 이는 영속적 팽창을 방지하는 조건과 CMB 및 BAO 관측 제약 조건을 모두 충족시킨다.
• 이전 연구 [2]에서 확립된 초기 불균일성의 관측 가능한 스펙트럼과 일치하는 것으로 나타나, 영속적 팽창 문제를 해결하면서도 모델은 관측 결과와 일치한다.
• 붕괴율의 매개변수화 방식의 유연성은 효과적인 붕괴 역학이 우주론적 맥락에 따라 다를 수 있음을 시사하며, 이는 구조 형성의 핵심 메커니즘을 변경하지 않고도 영속적 팽창 문제를 피할 수 있는 길을 제공한다.