[논문 리뷰] Primordial non-gaussianity from multiple curvaton decay

J. Väliviita, Hooshyar Assadullahi외 1명|ArXiv.org|2008. 06. 03.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다중 커퍼바톤 모델으로 커퍼바톤 모델을 확장하여, 커퍼바톤이 붕괴 시 에너지 밀도를 지배하더라도 비정규성(해당 값은 $f_{\rm{NL}}$로 정량화됨)이 클 수 있음을 보여준다. 이는 첫 번째 붕괴에서 발생한 복사가 이후 균일한 커퍼바톤 붕괴에 의해 희석되기 때문이다. 주요 신규 결과는 지배적 커퍼바톤 영역에서 큰 $f_{\rm{NL}}$을 생성하는 메커니즘으로, $f_{\rm{NL}} \geq -5/4$는 강인한 하한값이다.

ABSTRACT

We study a model where two scalar fields, that are subdominant during inflation, decay into radiation some time after inflation has ended but before primordial nucleosynthesis. Perturbations of these two curvaton fields can be responsible for the primordial curvature perturbation. We write down the full non-linear equations that relate the primordial perturbation to the curvaton perturbations on large scales, and solve them in a sudden-decay approximation. We calculate the power spectrum of the primordial perturbation, and finally go to second order to find the non-linearity parameter, fNL. Not surprisingly, we find large positive values of fNL if the energy densities of the curvatons are sub-dominant when they decay, as in the single curvaton case. But we also find a novel effect, which can be present only in multi-curvaton models: fNL becomes large even if the curvatons dominate the total energy density in the case when the inhomogeneous radiation produced by the first curvaton decay is diluted by the decay of a second nearly homogeneous curvaton. The minimum value min(fNL)=-5/4 which we find is the same as in the single-curvaton case. Using (non-)Gaussianity observations, Planck can be able to distinguish between single-field inflation and curvaton model. Hence it is important to derive theoretical predictions for curvaton model. From particle physics point of view it is more natural to assume multiple scalar fields (rather than just one ``curvaton'' in addition to inflaton). Our work updates the theoretical predictions of curvaton model to this case.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주론에서 자연스러운 다중 스칼라 장의 존재를 고려해 단일 커퍼바톤 모델을 다중 커퍼바톤 장을 포함하도록 일반화하기.
• 순차적 붕괴를 가지는 두 커퍼바톤 모델에서의 초기 우주의 스펙트럼과 비선형성 파ameter $f_{\rm{NL}}$을 유도하기.
• 기존의 보조적 커퍼바톤 영역을 초월한 새로운 $f_{\rm{NL}}$을 생성하는 메커니즘을 규명하기.
• 플랑크 비정규성 제약 조건을 활용해 다중 커퍼바톤 모델과 단일장 인플레이션 모델을 구별할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 초기 우주의 곡률 편미분 $\zeta$와 초과하이퍼스케일 영역에서의 커퍼바톤 장 편미분 간의 비선형 방정식을 수립한다.
• 갑작스러운 붕괴 근사법을 사용해 두 번의 순차적 커퍼바톤 붕괴 동안 곡률 편미분의 진화를 해석한다.
• 붕괴 효율성 파ameter $f_{a1}$, $f_{b1}$, $f_{b2}$와 상대적 편미분 진폭 $\beta$에 따라 초기 우주의 스펙트럼 $P_\zeta$를 유도한다.
• 비스펙트럼 정규화를 사용해 편미분의 2차까지의 비선형성 파am터 $f_{\rm{NL}}$을 계산한다.
• 붕괴 시점에서의 에너지 밀도 비율과 상대적 편미분 진폭에 따른 $f_{\rm{NL}}$의 의존성을 분석한다.
• 세 가지 극한 경우를 고려한다: $\beta \to \infty$ (거의 균일한 커퍼바톤 $a$), $\beta = 1$ (동일한 편미분), $\beta = 0$ (균일한 커퍼바톤 $b$).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 커퍼바톤이 붕괴 시 에너지 밀도를 지배할 때도 다중 커퍼바톤 모델에서 큰 초기 우주의 비정규성($f_{\rm{NL}}$)이 발생할 수 있는가?
• RQ2 두 번째 거의 균일한 커퍼바톤 붕괴로 인한 복사 희석이 지배적 커퍼바톤 영역에서 큰 $f_{\rm{NL}}$을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 두 번째 커퍼바톤 장의 포함이 $f_{\rm{NL}}$에 대한 기존 단일 커퍼바톤 예측을 어떻게 수정하는가?
• RQ4 가우시안 커퍼바톤 편미분을 가진 다중 커퍼바톤 모델에서 $f_{\rm{NL}}$의 하한값은 무엇인가?

주요 결과

• 커퍼바톤이 붕괴 시 보조적일 경우 큰 양의 $f_{\rm{NL}}$이 생성되며, 이는 단일 커퍼바톤 모델과 일치한다.
• 새로운 메커니즘이 존재하여, 두 커퍼바톤이 모두 붕괴 시 지배적일 경우에도 큰 $f_{\rm{NL}}$을 생성할 수 있다. 이는 첫 번째 붕괴에서 발생한 복사가 이후 균일한 커퍼바톤 붕괴에 의해 희석되기 때문이다.
• 최소값인 $f_{\rm{NL}}$은 $-5/4$이며, 이는 단일 커퍼바톤 모델과 동일하며, 가우시안 다중 커퍼바톤 모델에서 강인한 하한값으로 나타난다.
• 일차 스펙트럼은 $P_\zeta = \left[r_a^2 + \beta^2 r_b^2\right] P_{\zeta_a}$로 주어지며, $r_a$와 $r_b$는 붕괴 효율성 파am터와 $\beta$에 따라 달라진다.
• 이 결과는 이전 연구(예: Choi와 Gong)와 다름을 보이며, 이는 첫 번째 붕괴에서 비가로운 커퍼바톤 $b$의 밀도를 고려한 $f_{b1}$ 항을 포함했기 때문이다.
• $\beta = 0$ (균일한 커퍼바톤 $b$)인 경우, $f_{a1} \sim 1$, $f_{b2} \sim 1$ 영역에서도 큰 $f_{\rm{NL}}$이 가능함을 보여주며, 비정규성으로 향하는 새로운 길을 제시한다.