[논문 리뷰] Quantum Cosmology and the Structure of Inflationary Universe

Andrei Linde|ArXiv.org|1995. 08. 08.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 9인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 우주의 파동함수, 확률적 인플레이션, 재가열 메커니즘을 사용하여 양자 우주론과 인플레이션 우주 구조를 탐구한다. 여기서는 인플레이션 이후 파arametric 공진이 효율적인 프리-재가열을 이끌어내며, 보손 모델에서는 폭발적인 재가열이 발생하지만 페르미온 모델에서는 그렇지 않음을 보여주며, 일반적으로 열화는 프리-재가열 생성물의 양자역학적 붕괴를 통해 일어나며, 이는 바리온 생성 및 암흑물질 모델에 영향을 준다.

ABSTRACT

In this review I consider several different issues related to inflation. I will begin with the wave function of the Universe. This issue is pretty old, but recently there were some new insights based on the theory of the self-reproducing inflationary universe. Then we will discuss stationarity of inflationary universe and the possibility to make predictions in the context of quantum cosmology using stochastic approach to inflation. Returning to more pragmatic aspects of inflationary theory, we will discuss inflationary models with $Ω< 1$. Finally, we will describe several aspects of the theory of reheating of the Universe based on the effect of parametric resonance.

연구 동기 및 목표

• 우주의 양자 기원을 우주의 파동함수와 하트레-하킹 상태를 통해 이해하기 위해.
• 확률적 인플레이션과 유클리드 경로적분 방법을 사용하여 인플레이션 우주의 자가재생성 성질을 분석하기 위해.
• 인플레이션 이후 물질 생성의 맥락에서 비양자역학적 재가열 메커니즘, 특히 파arametric 공진을 조사하기 위해.
• 폭발적 재가열이 발생하는 조건과 최종 재가열 온도 및 열화에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 스칼라 장 이론에서 불완전한 재가열이 암흑물질과 바리온 생성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 경계 조건이 $a=0$ 및 $\phi=\phi_0$인 유클리드 경로적분에서 유도된 하트레-하킹 우주의 파동함수를 사용한다.
• 데 시터 공간에서 유클리드 작용 $S_E = -3/(16V(\phi))$를 적용하여 '무'에서의 양자 생성 확률을 계산한다.
• 밀도 불안정성과 인플레이션 영역의 자가재생성 모델링을 위해 확률적 인플레이션 기법을 적용한다.
• 확장하는 시공간에서 진동하는 인플레이션장에 대한 파arametric 공진을 분석하기 위해 매스이 방정식을 사용한다.
• 넓은 공진 조건과 좁은 공진 조건, 결합 강도를 비교하여 재가열 효율성을 평가한다.
• 프리-재가열 생성물에 양자역학적 붕괴 이론을 적용하여 최종 열화 단계를 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주의 파동함수가 양자적으로 인플레이션 시공간을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 확률적 인플레이션과 양자 우주론에서 인플레이션 우주의 자가재생성 성질은 어떻게 유도되는가?
• RQ3 파arametric 공진이 인플레이션 이후 폭발적 재가열을 유도하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 왜 페르미온 붕괴는 폭발적 재가열을 방지하며, 이는 재가열 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 프리-재가열 이후 표준 양자역학적 재가열 이론을 사용하여 최종 열화 단계를 정확히 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 스케일 인자 $a = H^{-1}$를 가진 우주의 양자 생성 확률은 $\mathcal{P} \propto \exp(-S_E) = \exp(3/(8V(\phi)))$로, 유클리드 작용에서 유도된다.
• 하트레-하킹 파동함수 $\Psi_0(a,\phi) \sim \exp(-S_E(a,\phi))$는 준고전적 근사에서 기저 상태 파동함수를 제공한다.
• 순수하게 보손 붕괴가 일어나는 모델에서는 넓은 공진을 통한 프리-재가열이 매우 효율적이며, 작은 결합 상수조차도 폭발적일 수 있다.
• 인플레이션장 붕괴가 페르미온(예: 중력수)을 생성하는 모델에서는 폭발적 재가열이 발생하지 않으며, 이는 넓은 공진이 존재하지 않기 때문이다.
• 원래의 인플레이션장이 아닌 프리-재가열 생성물에 대해 양자역학적 붕괴를 적용할 경우 최종 재가열 온도가 자주 변화한다.
• 단일 $\phi$-입자가 다른 입자로 붕괴할 수 없는 이론에서는 재가열이 완전히 이루어지지 않으며, 이는 스칼라 장가 스칼라 어둠침물질 역할을 할 수 있음을 시사한다.