[논문 리뷰] Probing inflation models with gravitational waves

Valerie Domcke|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 20.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 허위스칼라 인플라톤이 아벨 게이지 장과 결합할 경우, 비정상적 불안정성(타키온적 불안정성)을 유도하여 인플레이션 기간 동안 중력파(GW) 생성을 강화한다고 제안한다. 이로 인해 비perturbative적 방식으로 게이지 장이 생성되며, 고주파수 중력파 스펙트럼이 크게 증가한다. 이에 따라 스타로빈스키 유형 모델(p=2)이 고급 LIGO와 eLISA에 의해 탐지될 가능성이 가장 높으며, 중력파 간섭계를 통해 인플레이션의 미세물리학을 직접 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

A direct detection of primordial gravitational waves is the ultimate probe for any inflation model. While current CMB bounds predict the generic scale-invariant gravitational wave spectrum from slow-roll inflation to be below the reach of upcoming gravitational wave interferometers, this prospect may dramatically change if the inflaton is a pseudoscalar. In this case, a coupling to any abelian gauge field leads to a tachyonic instability for the latter and hence to a new source of gravitational waves, directly related to the dynamics of inflation. In this contribution we discuss how this setup enables the upcoming gravitational wave interferometers advanced LIGO/VIRGO and eLISA to probe the microphysics of inflation, distinguishing between different universality classes of single-field slow-roll inflation models. We find that the prime candidate for an early detection is a Starobinsky-like model.

연구 동기 및 목표

• 표준 느린 내림 예측을 초월하여 허위스칼라 인플라톤-아벨 게이지 장 결합이 관측 가능한 초기 우주의 중력파(GW)를 어떻게 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 향후 중력파 간섭계(고급 LIGO/VIRGO 및 eLISA)가 이러한 강화된 중력파 신호를 탐지하고 단일장 느린 내림 인플레이션 모델의 다양한 보편성 클래스를 구분할 수 있는지 판단하기 위해.
• 다양한 스칼라 포텐셜의 거듭제곱 법칙 행동을 보이는 인플레이션 모델 중에서 CMB 제약 조건을 만족하면서도 중력파 신호 강도를 최대화하는 모델을 특정하기 위해.
• 스칼라 스펙트럼 기울기 $n_s$와 텐서 대 스칼라 비율 $r$와 같은 인플레이션 매개변수를 제약하는 데 있어 CMB 측정과 향후 중력파 관측 간의 상호보완성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 허위스칼라 인플라톤 $\phi$ 가 $\mathcal{N}$ 개의 아벨 게이지 장과 상호작용 라그랑지안 $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim \phi F_{\mu\nu} \tilde{F}^{\mu\nu}/\Lambda$ 를 통해 결합된 인플레이션 역학을 모델링하기 위해.
• 인플라톤 및 게이지 장의 변동에 대한 운동 방정식을 유도하여, $\xi = \alpha |\dot{\phi}| / (2\Lambda H)$ 가 클 경우 게이지 장의 한 히일레시티 모드가 타키온적 불안정성을 겪음을 보여주기 위해.
• 에너지 밀도 $\langle \vec{E} \cdot \vec{B} \rangle \propto H^4 / \xi^4 e^{2\pi\xi}$ 를 계산하여, 이는 인플라톤 방정식에서 효과적인 마찰 항으로 작용하며 느린 내림 역학을 수정함을 보여주기 위해.
• 강화된 텐서 스펙트럼 $\Omega_{\text{GW}} \propto (H/M_P)^2 \left(1 + 10^{-7} \mathcal{N} H^2 / (M_P^2 \xi^6) e^{4\pi\xi} \right)$ 를 계산하여 고주파수에서의 강력한 증가를 보여주기 위해.
• 단일장 느린 내림 모델을 $\epsilon_V \sim \beta / N^p$ 로 매개변수화하여, 지수 $p$ 에 따라 보편성 클래스로 분류하고, 이러한 클래스들 간의 중력파 스펙트럼을 맵핑하기 위해.
• 수치적 및 해석적 도구를 사용하여 CMB 제약 조건 하에서 스타로빈스키 모델($p=2$)의 매개변수 공간을 $\alpha/\Lambda$ 와 $\gamma$ 에 대해 맵핑하고, LIGO와 eLISA의 탐지 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허위스칼라 인플라톤-아벨 게이지 장 결합이 표준 느린 내림 스펙트럼을 초월하여 관측 가능한 초기 우주의 중력파를 증폭시킬 수 있는가?
• RQ2 표준 느린 내림 인플레이션 모델의 보편성 클래스 중에서 $\epsilon_V \sim \beta / N^p$ 의 지수 $p$ 로 특징지어지는 모델 중에서 CMB 제약 조건을 만족하면서도 고주파수 중력파 신호를 최대화하는 것은 어떤 것인가?
• RQ3 고급 LIGO와 eLISA의 예상 감도는 허위스칼라 인플레이션 모델의 매개변수 공간, 특히 $p=2$ 에 대해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 향후 중력파 관측이 강화된 중력파 스펙트럼의 주파수 의존적 형태에 기반하여 다양한 인플레이션 모델을 얼마나 잘 구분할 수 있는가?
• RQ5 이 메커니즘은 초기 우주의 다른 관측 가능 현상, 예를 들어 초기 블랙홀 형성 또는 CMB $\mu$-왜곡에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 허위스칼라 인플레이션에서 게이지 장의 타키온적 불안정성은 비perturbative적 방식으로 게이지 장 모드를 생성하며, 이는 고주파수에서 초기 우주의 중력파 스펙트럼을 크게 강화한다.
• 강화된 중력파 스펙트럼은 $\Omega_{\text{GW}} \propto (H/M_P)^2 \left(1 + 10^{-7} \mathcal{N} H^2 / (M_P^2 \xi^6) e^{4\pi\xi} \right)$ 와 같이 스케일되며, $\xi$ 가 클수록 두 번째 항이 지배적으로 작용하여 강한 주파수 의존성과 편광 특성을 가진 신호를 생성한다.
• 모든 단일장 느린 내림 모델 중에서 $p=2$ 인 스타로빈스키 유형 모델이 고주파수에서 가장 강한 중력파 신호를 낸다. 따라서 고급 LIGO와 eLISA에 의해 탐지될 가능성이 가장 높은 후보이다.
• 스타로빈스키 모델의 매개변수 공간은 $\alpha/\Lambda$ 와 $\gamma$ 를 기준으로 맵핑되었으며, LIGO O2 및 O5 런, eLISA의 예상 감도가 타당한 매개변수 공간의 상당 부분을 탐지할 수 있음을 보여주었다.
• CMB 제약 조건, 특히 스칼라 스펙트럼 기울기 $n_s$ 와 비정규성 제약은 고 $p$ 모델(예: 힐탑 인플레이션)의 매개변수 공간을 제한하며, 이는 관측과 일치하기 위해 $\alpha/\Lambda$ 를 작게 유지해야 함을 의미한다.
• 이 모델은 초기 블랙홀 형성, $N_{\text{eff}}$ 에 기여하는 과잉 복사, 그리고 CMB 스펙트럼에서 관측 가능한 $\mu$-왜곡을 포함한 추가적인 관측 가능 서명을 예측한다.