[논문 리뷰] Probing String Theory with Modulated Cosmological Fluctuations

Lev Kofman|arXiv (Cornell University)|2003. 03. 27.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 13인용 수 148

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션 기간 동안 경량 모듈리 또는 딜라톤 장에 의해 유도되는 결합 상수의 공간적 비균일성에 의해 초기 우주에서 거의 척도 불변인 곡률 변동을 생성하는 새로운 메커니즘을 제안한다. 장기 파장의 스칼라 장 변동으로 인해 발생하는 이러한 변동하는 결합 상수는 프리헤이팅 기간 동안 등온도 변동을 생성하며, 이는 중력 지배로 인해 곡률 변동으로 전환된다. 이는 인플레이션 장의 잠재력 조정이 필요 없는 표준 인플레이션 장 기반 변동에 대한 스트링 이론에 뿌리를 둔 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Superstring theory, models with extra dimensions and other SUSY models generically predict that the coupling constants are in fact vacuum expectation values of fields like the dilaton, moduli etc. Assuming some of these fields are light during inflation, we get generation of small classical inhomogeneities in these fields from inflation. Consequently, coupling constants inherit small inhomogeneities at scales much larger than the causal horizon in the early universe. After the moduli get pinned down to their minima, the spatial variations of coupling constants in the late time universe will be erased. However, inhomogeneities in coupling constants in the very early universe would generate modulated large scale fluctuations in all relic species that are produced due to interactions and freezing out. Moreover (p)reheating of the inflaton field results in modulated curvature fluctuations. Even if the standard inflaton fluctuations are suppressed, in this picture we may have pure curvature cosmological fluctuations entirely generated by the modulated spatial variations of the coupling constants during preheating.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서 초끈 이론과 모듈리 장의 관측 가능한 서명을 탐색하기 위해.
• 우주적 변동이 인플레이션 기간 동안 생성된 결합 상수의 공간적 비균일성이 어떻게 대규모 우주론적 변동을 초래할 수 있는지 분석하기 위해.
• 인플레이션 장의 잠재력에 의존하지 않는 곡률 변동 생성 메커니즘을 제안하기 위해, 특히 재가열 과정에서의 변동하는 재가열을 통해.
• 프리헤이팅 및 재가열 역학의 맥락에서 변동하는 변동의 관측 가능성에 대해 조사하기 위해.
• 초끈 이론의 압축 스케일과 모듈리 장을 관측 가능한 CMB 및 대규모 구조 이방성과 연결하기 위해.

제안 방법

• 인플레이션 기간 동안 장기 파장의 비균일성을 갖는 경량 모듈리 또는 딜라톤 장을 갖는 초기 우주를 모델링하기 위해.
• 이러한 장들이 초수평척에서 결합 상수(예: 게이지 또는 요카다 결합 상수)를 조절한다고 가정하기 위해.
• 특히 비섭동적 프리헤이팅 기간 동안 재가열 과정에 대한 공간적으로 변화하는 결합 상수의 영향을 분석하기 위해.
• 재가열 온도 $ T_r $ 의 변동과 관련된 방사선에서의 등온도 변동을 유도하기 위해 $ \delta\alpha/\alpha $ 를 고려하기 위해.
• 재가열 이후 중력 지배로 인해 이러한 등온도 변동이 곡률 변동으로 전환됨을 보여주기 위해.
• 최종 곡률 변동의 진폭이 $ \delta\rho/\rho \sim \delta\chi / \chi $ 로 스케일 불변 스펙트럼을 이룰 수 있음을 증명하기 위해, 여기서 $ \chi $ 는 모듈리 장이며 특정 조건 하에서.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모듈리 장의 공간적 비균일성이 우주 빛의 관측 가능한 변동하는 변동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 프리헤이팅 기간 동안 인플레이션 장의 변동 없이도 곡률 변동이 순수하게 결합 상수의 변동으로부터 생성될 수 있는가?
• RQ3 재가열 기간 동안의 변동하는 결합 상수는 곡률 변동의 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 변동하는 변동은 CMB 및 대규모 구조에서 어떤 관측 가능한 서명을 낳을 수 있는가?
• RQ5 이 메커니즘은 인플레이션 장의 잠재력 조정 없이도 표준 인플레이션 모델의 타당한 대안을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 인플레이션 기간 동안 모듈리 장의 공간적 비균일성은 초수평척에서 결합 상수의 장기 파장 고전적 비균일성을 유도한다.
• 이러한 변동하는 결합 상수는 프리헤이팅 기간 동안 방사선에서 등온도 변동을 유도하며, 그 진폭은 $ \delta\alpha/\alpha $ 비례한다.
• 재가열 이후 중력 지배로 인해 방사선의 등온도 변동이 효율적으로 곡률 변동으로 전환된다.
• 결과적으로 생성된 곡률 변동은 거의 척도 불변이며, 인플레이션 장의 잠재력에 의존하지 않아서 구조 형성의 새로운 메커니즘을 제공한다.
• 인플레이션 장의 변동이 억제되는 극한 조건에서 변동하는 곡률 변동이 지배적이 되며, 이는 표준 인플레이션 모델의 타당한 대안을 제공한다.
• 이 메커니즘은 프리헤이팅 영역에서 견고하며 중력파 진폭 수준에서 관측 가능한 영향을 낼 수 있다, $ \sim H/M_P $.