[논문 리뷰] Low scale inflation with large number of e-foldings

Anupam Mazumdar|ArXiv.org|2003. 10. 16.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 인플레이션 모형에서 두 장의 역동성이 느린 굴곡을 유지하는 동안 장기적인 2차 상전이를 활용하여, 매우 큰 수의 e-폴딩을 갖는 저에너지 인플레이션 메커니즘을 제안한다. 핵심 결과는 인플레이션 장에 큰 허블에 기인한 질량 보정이 있더라도 충분한 인플레이션과 거의 척도 불변인 밀도 변동을 생성할 수 있으며, 이는 η-문제를 해결하고 테바 스케일에서 우주론적 모듈러스 문제를 해결한다.

ABSTRACT

In this paper we illustrate an interesting example of low scale inflation with an extremely large number of e-foldings. This realization can be implemented easily in hybrid inflation model where usually inflation ends via phase transition. However this phase transition can be so prolong that there is a subsequent epoch of slow roll inflation governed by the dynamics of two fields. This second bout of inflation can even resolve the $η$ problem which plagues certain kind of inflationary models. However we also notice that for extremely low scale inflation it is hard to obtain the right amplitude for the scalar density perturbations. In this regard we invoke alternative mechanisms for generating fluctuations. We also describe how to ameliorate the cosmological moduli problem in this context.

연구 동기 및 목표

• 일般적으로 플랑크 스케일 이하의 장 진동수 제곱값을 가진 저에너지 인플레이션 모형에서 큰 수의 e-폴딩을 달성할 수 있는지 탐색한다.
• 허블에 기인한 질량 보정이 느린 굴곡 인플레이션을 불안정하게 만드는 N=1 초대칭 중력 모형에서의 η-문제를 해결한다.
• 장기적인 2차 상전이가 초기 인플레이션 종료 이후에도 다시 느린 굴곡 인플레이션 주기를 유지할 수 있는지 보여준다.
• 낮은 재열 온도와 저에너지 역학에도 불구하고 올바른 스칼라 밀도 변동의 진폭을 생성할 수 있는 메커니즘을 제안한다.
• 이 메커니즘을 통해 인플레이션 스케일을 테바 스케일로 낮춤으로써 우주론적 모듈러스 문제를 완화한다.

제안 방법

• 두 스칼라 장 φ와 Φ를 갖는 하이브리드 인플레이션 포텐셜을 사용하며, 인플레이션은 Φ의 역동성에 의해 지배되는 2차 상전이로 종료된다.
• 상전이를 느린 과정으로 모델링하여 Φ가 포텐셜을 천천히 굴러내림으로써 두 번째 느린 굴곡 인플레이션 주기를 유지한다.
• 상전이 기간 동안 φ의 운동 방정식을 유도하며, mϕ/Φ₀와 λ에 의존하는 비율로 지수 감쇠가 일어나며, 이는 장기적인 인플레이션을 가능하게 한다.
• 인플레이션 장의 붕괴 비율의 변동을 통해 등온 밀도 변동을 생성하는 대안적 메커니즘을 도입하며, 이는 Φ의 양자 변동 또는 평탄한 방향 S에 의해 유도된다.
• 상전이 기간 동안 Φ의 스토케스틱 역학을 기술하기 위해 포크너-플랭크 방정식을 사용하며, 특히 양자 변동이 중요한 경우에 유용하다.
• 인플레이션 장 φ의 효과적 질량이 Φ의 진동수 제곱값에 의존함을 고려하여, 붕괴 비율의 변동 δΓ/Γ ∼ H∗/(2πΦ)를 유도하며, 이는 재열 온도와 복사 에너지 밀도에 변동을 인코딩한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 인플레이션 모형에서 장기적인 2차 상전이가 저에너지 스케일에서 다시 느린 굴곡 인플레이션 주기를 유지할 수 있는가? 이는 매우 큰 수의 e-폴딩을 초래하는가?
• RQ2 인플레이션 장에 큰 허블에 기인한 질량 보정이 있더라도 성공적인 인플레이션과 척도 불변인 밀도 변동을 유지할 수 있는가?
• RQ3 낮은 재열 온도를 가진 저에너지 인플레이션 모형에서 올바른 스칼라 밀도 변동의 진폭은 어떻게 생성될 수 있는가?
• RQ4 이 메커니즘을 통해 인플레이션 스케일을 테바 스케일로 낮춤으로써 우주론적 모듈러스 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ5 인플레이션 세트가 표준 모형과 직접적으로 결합되어 있지 않을 경우, 등온 밀도 변동을 생성할 수 있는 대안적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 하이브리드 모형에서 장기적인 2차 상전이가 두 번째 느린 굴곡 인플레이션 주기를 유지할 수 있으며, 이는 저에너지 역학에도 불구하고 매우 큰 수의 e-폴딩을 가능하게 한다.
• 인플레이션 장에 큰 허블에 기인한 질량 보정이 있더라도, 느린 상전이 기간 동안 충분한 인플레이션을 달성할 수 있으며, 이는 N=1 초대칭 중력 모형에서의 η-문제를 해결한다.
• 밀도 변동의 진폭은 인플레이션 장의 붕괴 비율의 변동을 통해 생성될 수 있으며, δργ/ργ ∼ H∗/(2πΦ)이며, 상전이 종료 근처에서 Φ ∼ 10⁶H∗일 경우 필요한 진폭이 달성된다.
• 이 모형은 테바 스케일의 인플레이션 스케일을 허용하여, 모듈러스 생성을 억제함으로써 우주론적 모듈러스 문제를 크게 완화한다.
• 등온 변동을 생성하는 대안적 메커니즘으로는 평탄한 방향 S의 변동 또는 표준 모형 힉스와의 양자 양자 결합이 있으며, 이는 δρ/ρ ∼ (4/3)δS/S를 유도한다.
• 인플레이션 장의 효과적 질량은 진동수 제곱값 의존성 m²_eff,ϕ ∝ Φ²를 가지며, 이는 상전이 기간 동안 붕괴 비율과 변동 생성을 동적으로 제어할 수 있게 한다.