[논문 리뷰] Gravitational Wave from Axion-SU(2) Gauge Fields: Effective Field Theory for Kinetically Driven Inflation

Yuki Watanabe, Eiichiro Komatsu|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 67인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 이완성 항과 카르탕-시몬스 상호작용을 포함한 축-SU(2) 게이지장 인플레이션에 대한 효과적 장 이론을 구축한다. 이론은 이동 대칭성과 함께 작용하며, 진공 플럭투에이션으로부터 $ r \gtrsim 5 \times 10^{-3} $의 텐서-스칼라 비율을 예측한다. 추가로, 일부가 왼쪽-오른쪽 대칭성이 깨진 비가우시안성인 중력파가 발생하며, 이는 CMB 편광 및 직접 탐지 실험에서 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

Building on Weinberg's approach to effective field theory for inflation, we construct an effective Lagrangian for a pseudo scalar (axion) inflaton field with shift symmetry. In this Lagrangian we allow the axion field to couple to non-Abelian gauge fields via a Chern-Simons term. We then analyze a class of inflation models driven by kinetic terms. We find that the observational constraints on the amplitudes of curvature perturbations and non-Gaussianity yield a lower bound for the tensor-to-scalar ratio of $r\gtrsim 5 imes 10^{-3}$ from the vacuum fluctuation. The sourced gravitational wave from SU(2) gauge fields further increases the tensor-to-scalar ratio and makes the total gravitational wave partially chiral and non-Gaussian, which can be probed by polarization of the cosmic microwave background and direct detection experiments. We discuss constraints on parameter space due to backreaction of spin-2 particles produced by the gauge field.

연구 동기 및 목표

• 이완성 항과 카르탕-시몬스 항을 통한 비아벨리언 SU(2) 게이지장과의 결합을 포함한, 이동 대칭성을 가지는 허위스칼라(축) 인플레이션 장에 대한 저에너지 효과적 장 이론을 개발하는 것.
• 잠재력이 아닌 운동에너지에 의해 구동되는 인플레이션 모델을 탐색하여, 곡률 편미분과 비가우시안성에 대한 관측 제약 조건과의 일치를 확보하는 것.
• 진공 기여와 게이지 기여를 모두 포함한 초기 우주 중력파의 텐서-스칼라 비율, 왼쪽-오른쪽 대칭성, 비가우시안성에 대한 제약 조건을 유도하는 것.
• 게이지장에 의해 생성된 스핀-2 입자에 의한 반작용 효과를 분석하여 모델의 매개변수 영역의 타당성을 평가하는 것.
• 운동에너지 항의 이동 대칭성의 부드럽게 깨진 형태 또는 열등한 잠재력으로 인해 CMB 데이터, 특히 스칼라 스펙트럼 기울기 $ n_s < 1 $ 와의 일치를 도모하는 것.

제안 방법

• 스칼라 장의 이동 대칭성과 SU(2) 게이지장과의 카르탕-시몬스 상호작용 $ \phi F\tilde{F} $ 를 포함한, 최대 4개의 시공간 도함수를 가진 효과적 라그랑지안을 구성한다.
• 부드럽게 깨진 이동 대칭성 하에서 배경 운동 방정식을 유도하며, $ a_1 < 0 $, $ a_2 > 0 $ 를 가정하여 운동에너지 지배로 디 de Sitter 유사 인플레이션을 달성한다.
• 선형화된 방정식을 사용하여 스칼라 및 텐서 편미분을 분석하고, 스칼라 스펙트럼 기울기 $ n_s $, 비가우시안성, 텐서-스칼라 비율 $ r $ 등의 관측 가능 물리량을 계산한다.
• 진공 플럭투에이션과 게이지 기여를 합산하여 총 중력파 스펙트럼을 계산하며, 상관 함수를 통해 왼쪽-오른쪽 대칭성과 비가우시안성을 정량화한다.
• 게이지장에 의한 스핀-2 입자 생성에 기인한 반작용 제약 조건을 적용하여, $ B_A \lesssim 0.1 $ 에서 유효한 매개변수 영역을 제한한다.
• 곡률 편미분 비가우시안성에 대한 관측 제약 조건을 적용하여 $ \epsilon_s $ 의 하한을 도출하며, 이는 진공 플럭투에이션으로부터 $ r \gtrsim 5 \times 10^{-3} $ 로 번역된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 대칭성을 가지며, 이완성 항에 의해 구동되는 축-SU(2) 인플레이션 모델에서, 진공 플럭투에이션 기여로 인한 텐서-스칼라 비율 $ r $ 의 하한은 무엇인가?
• RQ2 축 장에 의해 구동되는 SU(2) 게이지장은 초기 우주의 중력파 성질, 특히 왼쪽-오른쪽 대칭성과 비가우시안성 측면에서 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 모델은 비가우시안성에 대한 CMB 제약 조건과 일치하면서도 관측된 스칼라 스펙트럼 기울기 $ n_s < 1 $ 를 재현할 수 있는가?
• RQ4 게이지장 역학에 의해 생성된 스핀-2 입자에 의한 반작용으로 인해 모델 매개변수에 어떤 제약 조건이 가해지는가?
• RQ5 비아벨리언 게이지장과의 카르탕-시몬스 상호작용을 포함함으로써, 표준 모델과 비교했을 때 이완성 인플레이션의 현상학적 특성은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 진공 플럭투에이션 기여로 인해 비가우시안성 곡률 편미분에 대한 관측 제약 조건으로부터 텐서-스칼라 비율에 대한 하한 $ r \gtrsim 5 \times 10^{-3} $ 이 도출된다.
• SU(2) 게이지장 기여로 인해 $ r $ 가 추가로 증가하며, 총 중력파 신호는 부분적으로 왼쪽-오른쪽 대칭성이 깨지고 비가우시안성이 되어, 표준적인 거의 가우시안이고 비대칭인 진공 모드와 구별 가능하다.
• 모델은 CMB 편광 실험과 레이저 간섭계의 특수한 구성에서 탐지 가능한 왼쪽-오른쪽 대칭성이 깨진 중력파를 예측한다.
• 텐서 모드의 비가우시안성은 게이지 기여 성분에 의해 생성되며, 향후 CMB 및 직접 탐지 실험에서 구별 가능한 서명을 제공한다.
• 게이지장에 의한 스핀-2 입자 생성에 기인한 반작용은 유효 매개변수 영역을 제한하며, $ B_A \lesssim 0.1 $ 이 요구되며, $ B_A > 0.1 $ 영역는 불안정성으로 인해 배제된다.
• 모델은 $ \lambda \ll 1 $ 을 允허하며, 이는 이전의 크로모-자연 인플레이션 모델이 요구했던 $ \lambda \gg 1 $ 과의 갈등을 해결하여 축 모델 구성과 더 잘 조화된다.