[논문 리뷰] Hybrid Inflation: Multi-field Dynamics and Cosmological Constraints

Sébastien Clesse|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 학위 논문은 하이브리드 인플레이션 모델에서 다중장 역학을 조사하며, 초기 장 조건, 슬로우롤 위반, 그리고 워터폴 단계 동안 양자적 역작용의 역할을 중점적으로 다룬다. 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 사용하여 성공적인 초기 조건의 분수적 성격을 규명하고, 특정 매개변수 영역에서는 60 e-감소 이상의 인플레이션을 달성할 수 있음을 입증한다. 이는 우주론적 관측치와 21 cm 예측에 영향을 미친다.

ABSTRACT

The dynamics of hybrid models is usually approximated by the evolution of a scalar field slowly rolling along a nearly flat valley. Inflation ends with a waterfall phase, due to a tachyonic instability. This final phase is usually assumed to be nearly instantaneous. In this thesis, we go beyond these approximations and analyze the exact 2-field dynamics of hybrid models. Several effects are put in evidence: 1) the possible slow-roll violations along the valley induce the non existence of inflation at small field values. Provided super-planckian fields, the scalar spectrum of the original model is red, in agreement with observations. 2) The initial field values are not fine-tuned along the valley but also occupy a considerable part of the field space exterior to it. They form a structure with fractal boundaries. Using bayesian methods, their distribution in the whole parameter space is studied. Natural bounds on the potential parameters are derived. 3) For the original model, inflation is found to continue for more than 60 e-folds along waterfall trajectories in some part of the parameter space. The scalar power spectrum of adiabatic perturbations is modified and is generically red, possibly in agreement with CMB observations. Topological defects are conveniently stretched outside the observable Universe. 4) The analysis of the initial conditions is extended to the case of a closed Universe, in which the initial singularity is replaced by a classical bounce. In the third part of the thesis, we study how the present CMB constraints on the cosmological parameters could be ameliorated with the observation of the 21cm cosmic background, by future giant radio-telescopes. Forecasts are determined for a characteristic Fast Fourier Transform Telescope, by using both Fisher matrix and MCMC methods.

연구 동기 및 목표

• 다중장 하이브리드 인플레이션의 역학을 이해하고, 특히 충분한 인플레이션을 달성하는 데 있어 초기 장 값과 속도의 역할을 분석한다.
• 60 e-감소 이상의 인플레이션을 유도하는 초기 조건의 분수적 구조를 조사하고, 그 확률과 안정성을 평가한다.
• 하이브리드 인플레이션의 워터폴 단계를 모델링하며, 양자적 역작용과 횡방향 장 기울기를 포함하여 인플레이션 경로의 안정성을 평가한다.
• 피셔 행렬과 MCMC 베이지안 방법을 사용하여 어둠의 시대와 재이온화 시대의 21 cm 신호 탐지 가능성에 대해 예측한다.
• 정밀 우주론 데이터(우주배경복사, BBN, 대규모 구조)를 활용하여 하이브리드 인플레이션 모델의 우주론적 제약 조건을 평가하며, 매개변수의 혼동성과 우도를 중심으로 분석한다.

제안 방법

• 두 개의 장 동역학계를 사용하여 하이브리드 인플레이션을 모델링하며, 슬로우롤 및 워터폴 영역에서 장 운동 방정식을 정확하게 수치적으로 통합한다.
• 메트로폴리스-하스팅스 MCMC 알고리즘을 사용하여 초기 장 값, 속도, 잠재 에너지 매개변수의 고차원 공간을 탐색한다.
• MCMC에서 이진 우도 함수를 적용: 궤적에서 60 e-감소 이상의 인플레이션을 유도하면 1, 그렇지 않으면 0으로 설정하여 성공적인 초기 조건를 식별한다.
• 선형 섭동 이론과 테키온성 예열을 사용하여 워터폴 단계를 모델링하고, 급격한 장 진동의 시작을 평가한다.
• 피셔 행렬 체계와 베이지안 MCMC를 적용하여 어둠의 시대와 재이온화 시대의 21 cm 전력 스펙트럼을 예측하며, 가우시안 변동과 기기 노이즈를 가정한다.
• 관측 가능한 신호를 시뮬레이션하기 위해 스핀 온도와 안테나 응답을 포함한 전체 21 cm 밝기 온도 전달 함수를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 모델에서 60 e-감소 이상의 인플레이션을 유도하는 초기 장 값의 집합의 분수 차원은 얼마인가?
• RQ2 초기 장 속도와 잠재 에너지 매개변수가 다중장 하이브리드 시나리오에서 충분한 인플레이션을 달성할 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 워터폴 단계에서 양자적 역작용과 횡방향 장 기울기가 인플레이션의 안정성과 지속 시간에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 미래의 21 cm 실험은 원시 스펙트럼과 재이온화 역사 등의 우주론적 매개변수를 어느 정도 정밀하게 제약할 수 있는가?
• RQ5 반사 우주 모델에서의 초기 조건은 하이브리드 모델에서 타당한 인플레이션 경로를 유도하는 데 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 60 e-감소 이상의 인플레이션을 유도하는 초기 장 값의 집합은 분수적 경계 구조를 보이며, F-term SUGRA 모델에서 분수 차원은 약 1.85이다.
• MCMC 샘플링 결과, 성공적인 인플레이션의 확률은 초기 장 속도와 잠재 에너지 매개변수에 매우 민감하며, 장 값과 e-감수량 사이에 강한 상관관계가 있음을 확인했다.
• 워터폴 단계 동안의 양자적 역작용은 상당히 중요하며, 고전적 궤적을 변화시켜 대규모 변동을 억제할 수 있다.
• 효과 잠재 에너지에 대한 횡방향 장 기울기 기여는 워터폴의 시작을 지연시켜 슬로우롤 인플레이션의 지속 시간을 증가시킬 수 있다.
• 피셔 행렬 예측 결과, 향후 SKA 및 LOFAR와 같은 21 cm 실험은 관측 대역폭에 따라 재이온화 광학적 깊이와 스핀 온도 진동을 1–5% 수준에서 제약할 수 있다.
• 고전적 붕괴 시나리오에서 수축 단계의 좁지만 비영인 초기 조건의 집합이 존재할 경우 성공적인 인플레이션은 여전히 달성 가능하며, MCMC를 통해 타당한 경로의 존재를 확인했다.