[논문 리뷰] Preheating in FRW Universes

D. Boyanovsky, D. Cormier외 4명|ArXiv.org|1996. 09. 30.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 대규모 N을 가진 O(N) 모델을 사용하여 복사 우주론적 프리드먼-로버트슨-워커 (FRW) 우주에서 스핀오드 불안정성 또는 파라메트릭 공진에 의해 유도되는 예비가열—폭발적인 입자 생성—을 연구한다. 우주의 팽창을 고려할 경우 예비가열이 유지되지만, 민코프스키 공간과 비교해 입자 생성이 감소하며, 자발적 대칭 깨짐으로 인해 최종 상태에 골드스톤 보손이 존재함을 시사하는 만능 규칙(sum rule)이 후기 시기 행동을 지배함을 보여준다.

ABSTRACT

The nonlinear time evolution of the quantum fields is studied in the O(N) model for large N in a radiation dominated FRW universe, with a view towards the phenomenon of explosive particle production due to either spinodal instabilities or parametric amplification, i.e. preheating. Quantum backreaction effects due to the produced particles are included consistently within the large N approximation. We find that preheating persists when the expansion is included, although the amount of particle production is reduced compared to the values found in Minkowski space. We also see that the behavior of the evolving zero mode is very different from that in Minkowski space, though the late time behavior in all cases is determined by a sum rule that implies the existence of Goldstone bosons in the final state.

연구 동기 및 목표

• 스핀오드 불안정성 또는 파라메트릭 공진에 의해 유도되는 예비가열이 팽창하는 FRW 우주에서 어떻게 유지되는지 이해하는 것.
• 복사 우주론적 FRW 배경에서 양자장의 비선형 시계열 진화를 분석하는 것.
• 큰 N 근사에서 양자 반작용 효과를 일관되게 포함하는 것.
• 최종 상태에서의 영점 모드와 최종 입자 스펙트럼이 민코프스키 공간과 다를지, 특히 골드스톤 모드 측면에서 확인하는 것.
• 만능 규칙이 최종 상태를 지배하는지 확인하고, 대칭 깨짐 이후 골드스톤 보손 존재를 암시하는지 판단하는 것.

제안 방법

• 상호작용 양자장의 역학을 단순화하기 위해 큰 N 근사에서 O(N) 모델을 사용한다.
• 복사 우주론적 팽창 우주를 모델링하기 위해 FRW 계량을 사용하며, 시간에 따라 변하는 배경장이 포함된다.
• 생성된 입자에 의한 반작용을 포함한 비선형 양자장 운동 방정식을 수치적으로 해결한다.
• 큰 N 근사는 입자 생성에 의한 양자 보정을 배경 진화에 일관되게 포함할 수 있도록 한다.
• 질서 매개변수와 대칭 깨짐의 역학을 연구하기 위해 영점 모드의 진화를 추적한다.
• 만능 규칙을 유도하고 적용하여 시스템의 후기 시기 행동을 분석하며, 골드스톤 보손 존재와 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사 우주론적 FRW 우주에서 우주의 팽창이 존재하는 조건에서 예비가열이 유지되는가?
• RQ2 양자 반작용 효과를 포함할 경우 예비가열 동안 입자 생성의 효율성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 민코프스키 공간과 비교해 FRW 공간에서 영점 모드의 시계열 진화는 어떻게 다를까?
• RQ4 만능 규칙이 예비가열 이후 시스템 최종 상태를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 최종 상태는 반드시 골드스톤 보손을 포함하는가? 그리고 이는 만능 규칙을 통해 어떻게 암시되는가?

주요 결과

• FRW 우주에서 예비가열이 유지되지만, 민코프스키 공간 사례와 비교해 총 입자 생성량은 감소한다.
• 우주의 팽창으로 인해 FRW 공간에서의 영점 모드 행동은 민코프스키 공간과 상당히 다름.
• 만능 규칙이 후기 시기 역학을 지배하며, 자발적 대칭 깨짐 이후 최종 상태에 골드스톤 보손 존재를 보장한다.
• 만능 규칙은 초기 조건에 관계없이 강건하게 유지되며, 최종 상태의 보편적 특성임을 시사한다.
• 양자 반작용 효과는 일관되게 포함되었고, 입자 생성을 억제하지만 예비가열을 완전히 제거하지는 않는다.
• 최종 상태에는 유한한 수의 골드스톤 보손이 존재하며, 이는 국소 대칭 깨짐의 맥락에서 골드스톤 정리의 예측과 일치한다.