[논문 리뷰] Large tensor-to-scalar ratio and low scale inflation

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar외 1명|ArXiv.org|2007. 12. 12.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 보조 인플레이션(약 10¹³ GeV) 단계에서 큰 텐서 대 스칼라 비율을 갖는 중력파를 생성하고, 저에너지 MSSM 인플레이션(약 1 GeV) 단계에서 스칼라 편미분을 생성하며 우주를 표준모형 바리온과 암흑물질로 재가열하는 이단계 인플레이션 모델을 제안한다. 첫 번째 단계의 텐서 모드는 두 번째 단계의 사건의 지평선을 통과하여 강하게 붉은 기울기를 가진 텐서 스펙트럼을 만들어내며, 관측 가능한 r_observed ≤ 0.8이며, 이는 오직 가장 큰 각진 규모(l ≈ 2)에서만 관측 가능하다.

ABSTRACT

It is plausible that the scalar density perturbations are created by a relatively low scale model of inflation which predicts the CMB anisotropy and excites Standard Model baryon and cold dark matter, but negligible gravity waves. Nevertheless a significantly large tensor perturbations can be observed if there exists a prior phase of high scale inflation separated by a matter or radiation dominated epoch. In this paper we provide a simple example when the gravity waves generated at high scales trickle through the horizon of the second phase of inflation and leave a distinct imprint in the spectrum of the tensor modes. For a high scale inflation occurring at $H\sim 10^{13}$ GeV while the second phase of inflation happening at $H\sim 1$ GeV, the largest tensor to scalar ratio is bounded by $r_{ m observed}\leq0.8$.

연구 동기 및 목표

• 초과플랑크 스케일의 인플라톤 기대값이 필요 없이도 현실적인 입자물리학적 맥락에서 큰 텐서 대 스칼라 비율(r)을 생성하는 것.
• 스칼라 밀도 편미분이 오직 저에너지 인플레이션 단계(H ~ 1 GeV)에서 기인하도록 보장하여 CMB 파wer 스펙트럼의 끊어짐을 방지하는 것.
• MSSM 인플레이션을 통한 자동 재가열을 통해 표준모형 바리온과 냉암흑물질로의 재가열을 실현하여 인위적인 결합을 피하는 것.
• 고에너지 단계에서의 관측 가능한 중력파가 저에너지 단계를 통과하면서 가장 큰 각진 규모에 특징적인 인상을 남기는 것을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 이중 단계 인플레이션 시나리오를 사용: 첫 번째 단계는 n개의 스칼라 장에 의해 구동되며 V = ∑m²χᵢ² (H ~ 10¹³ GeV에서의 보조 인플레이션), 그 후 물질 지배 시기.
• 두 번째 단계로 H ~ 1 GeV에서의 MSSM 인플레이션을 도입하여, 모든 스칼라 편미분을 생성하고 우주를 표준모형과 암흑물질로 재가열한다.
• 방정식 상태 변화에 따른 사건의 지평선 재처리와 단계 간 위상 차이를 고려하여 텐서 및 스칼라 모드의 진화를 모델링한다.
• Mukhanov-Sasaki 형식을 적용하여 파wer 스펙트럼을 계산하며, 첫 번째 단계의 텐서 모드는 두 번째 단계 동안 재처리된다.
• 현재 사건의 지평선에 해당하는 임계 모드 k_c를 사용하여 관측된 텐서 대 스칼라 비율을 결정하며, H_assist ~ 10¹³ GeV일 경우 r_observed ≤ 0.8이다.
• 상관관계 구조 분석: 텐서 및 스칼라 모드는 서로 다른 진동 시작 시점으로 인해 큰 규모에서 반대칭 상관관계를 가지며, 이로 인해 텐서 모드의 파워 스펙트럼은 ∼k⁻⁶로 기울어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지 인플레이션 모델에서 초과플랑크 스케일의 인플라톤 기대값이 필요 없이 큰 텐서 대 스칼라 비율을 생성할 수 있는가?
• RQ2 고에너지 인플레이션 단계에서의 중력파가 저에너지 인플레이션 단계를 통과한 후 가장 큰 각진 규모에 관측 가능한 신호를 남길 수 있는가?
• RQ3 스칼라 편미분이 오직 저에너지 MSSM 인플레이션 단계에서 기인하도록 하여 CMB 파워 스펙트럼의 끊어짐 없이 매끄러운 스펙트럼을 유지할 수 있는가?
• RQ4 물질 지배에서 저에너지 인플레이션으로의 전이 동안 텐서 및 스칼라 모드의 상대 위상은 어떻게 변화하며, 어떤 관측 가능한 인상이 남는가?
• RQ5 고에너지 보조 인플레이션과 저에너지 MSSM 인플레이션을 포함하는 이중 단계 인플레이션 모델에서 관측 가능한 최대 텐서 대 스칼라 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 관측된 텐서 대 스칼라 비율은 H_assist ~ 10¹³ GeV 및 H_MSSM ~ 1 GeV일 경우 r_observed ≤ 0.8로 제한되며, 이 신호는 오직 가장 큰 각진 규모(l ≈ 2)에 국한된다.
• 고에너지 중력파가 두 번째 인플레이션 단계의 사건의 지평선을 재처리하면서 텐서 스펙트럼이 ∼k⁻⁶로 강하게 붉은 기울기를 가지게 된다.
• 큰 규모(k < k_c)에서 스칼라 및 텐서 모드는 서로 반대 상관관계를 가지며, 이는 CMB 상관함수에 특징적인 인상을 남긴다.
• 지평선 내부에 더 깊이 있는 모드(k > k_c)에서는 스칼라 및 텐서 모드가 상관관계를 가지며, 파워 스펙트럼은 ∼k⁻⁵로 기울어져 단일 단계 인플레이션과의 차이를 보인다.
• 이 모델은 MSSM 인플레이션의 초기 조건을 자연스럽게 제공한다: 고에너지 보조 인플레이션은 약 80 e-폴딩 내에 MSSM 평탄한 방향을 φ₀ ~ 10¹⁴ GeV로 이동시킨다.
• 미래의 CMB 실험은 작은 각진 규모에서 텐서 상관관계의 급격한 감소와 붉은 기울기 스펙트럼을 관측함으로써 이 시나리오를 단일 단계 인플레이션과 구별할 수 있다.