[논문 리뷰] Quasi-quintessence inflation with non-minimal coupling to curvature in the Jordan and Einstein frames

Orlando Luongo, Tommaso Mengoni|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 06.

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 상수 문제를 해결하고 오래된 인플레이션과 카오스 인플레이션을 통합하기 위해 비틀림 없는 곡률에 대한 비최소 결합을 갖는 준쿼ınt레세인스 스칼라 장 모델을 제안한다. 조던 프레임과 아인슈타인 프레임 양쪽에서 스타로빈스키 유사 및 대칭성 깨짐 포텐셜을 도입함으로써, 비최소 결합( |ξ| ~ 10⁻³–10⁻⁴)을 갖는 대규모 장 인플레이션은 자연스럽게 부드러운 종료를 보이며, 중력 이론을 수정하지 않고도 스타로빈스키 포텐셜을 재현함을 보여주며, 이는 소규모 장 모델보다 이 클래스를 선호하게 한다.

ABSTRACT

We here explore a specific class of scalar field, dubbed quasi-quintessence which exhibits characteristics akin to ordinary matter. Specifically, we investigate under which conditions this fluid can mitigate the classical cosmological constant problem. We remark that, assuming a phase transition, it is possible to predict inflationary dynamics within the metastable phase triggered by the symmetry breaking mechanism. During this phase, we study inflationary models incorporating this cancellation mechanism for vacuum energy within the context of quasi-quintessence. There, we introduce four novel potentials, categorized into two main groups, \emph{i.e.}, the Starobinsky-like and symmetry breaking paradigms. Afterwards, we consider two distinct cases, the first without coupling with the curvature, while the second exhibiting a Yukawa-like interacting term. Hence, we compute the inflationary dynamics within both the Jordan and Einstein frames and discuss the objective to unify old with chaotic inflation into a single scheme. We therefore find the tensor-to-scalar ratio and the spectral terms and conclude that the most suited approach involves the Starobinsky-like class of solution. Indeed, our findings show that small field inflationary scenarios appear disfavored and propose \emph{de facto} a novel technique to reobtain the Starobinsky potential without passing through generalizations of Einstein's gravity. Last but not least, we conjecture that vacuum energy may be converted into particles by virtue of the geometric interacting term and speculate about the physics associated with the Jordan and Einstein frames.

연구 동기 및 목표

• 상전이 기간 동안 물질처럼 행동하는 준쿼ınt레세인스 스칼라 장를 사용하여 고전적 우주론적 상수 문제를 해결한다.
• 대칭성 깨짐과 비최소 결합을 활용하여 오래된 인플레이션과 카오스 인플레이션을 하나의 프레임워크 안에서 통합한다.
• 비최소 곡률 결합을 포함한 조던 프레임과 아인슈타인 프레임에서의 인플레이션 역학을 탐구한다.
• 아인슈타인-힐베르트 중력 이론을 확장하지 않고도 스타로빈스키 포텐셜을 회복할 수 있는지 확인한다.
• 인플레이션 기간 동안 기하학적 상호작용을 통한 입자 생성과 진공 에너지 상쇄를 조사한다.

제안 방법

• 이중 지수 및 장 이동 대칭성을 기반으로 한 두 가지 스타로빈스키 유사 포텐셜(V_S, V_π)과 두 가지 대칭성 깨짐 포텐셜(V_W, V_Ω)을 포함한 네 가지 새로운 포텐셜을 도입한다.
• 조던 프레임의 작용을 아인슈타인 프레임으로 매핑하기 위해 등각 변환을 적용하고, 변환된 스칼라 장 h에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 최소 및 비최소 결합의 경우 양 프레임에서의 슬로우롤 매개변수와 인플레이션 관측량(텐서 대 스칼라 비율, 스펙트럼 기울기)을 계산한다.
• 유카와 유사 비최소 결합 항 ξRφ²를 통합하여, 약한 결합 근사( |ξ| ≪ 1)에서의 효과적 포텐셜과 역학에 미치는 영향을 분석한다.
• 조던 프레임에서의 준디S-디세이어 상황( ˙R ≈ 0)을 가정하여 운동 방정식을 단순화하고 인플레이션 조건을 평가한다.
• 베이지안 유사 모델 비교를 수행하여, 플랑크 제약 조건을 만족시키기 위해 미세조정된 계수를 갖는 대규모 장 포텐셜을 선호한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비최소 곡률 결합을 갖는 준쿼ınt레세인스 스칼라 장가 하나의 포텐셜 프레임워크 내에서 오래된 인플레이션과 카오스 인플레이션을 자연스럽게 통합할 수 있는가?
• RQ2 스타로빈스키 유사 포텐셜과 대칭성 깨짐 포텐셜 중 어느 것이 중력 이론을 수정하지 않고도 스타로빈스키 포텐셜을 가장 잘 재현하는가?
• RQ3 비최소 곡률 결합( |ξ| ~ 10⁻³–10⁻⁴)이 조던 프레임과 아인슈타인 프레임 양쪽에서 타당한 인플레이션 역학을 유도하는가?
• RQ4 기하학적 상호작용 항에 의해 진공 에너지가 입자로 전환되어 효과적으로 상쇄될 수 있는가?
• RQ5 인플레이션 역학이 프레임에 독립적인가? 이는 이 맥락에서 조던 프레임과 아인슈타인 프레임의 물리적 동치성을 지지하는가?

주요 결과

• 스타로빈스키 유사 포텐셜 V_S는 원래의 스타로빈스키 포텐셜과 유사하며, 일반 상대성 이론을 수정하지 않고도 타당한 인플레이션 시나리오를 제공한다.
• 소규모 장 인플레이션 모델은 e-폴딩 수가 부족하고 매개변수의 과도한 미세조정이 필요하므로 불리하다.
• 음의 ξ를 갖는 비최소 결합 모델은 불리하며, |ξ| ~ 10⁻³–10⁻⁴일 때는 두 프레임 모두에서 일관된 인플레이션 역학을 얻을 수 있다.
• V_π 및 V_Ω 포텐셜은 자유 매개변수에 엄격한 제약 조건이 있을 경우에만 인플레이션을 유지할 수 있으며, 이는 그들의 타당성을 제한한다.
• 대규모 장 포텐셜, 특히 V_S는 V₀ = -χφ₀⁴/4의 오프셋을 통해 고전적 우주론적 상수 문제를 효과적으로 치유한다.
• 인플레이션 역학은 프레임에 독립적이며, 이는 조던 프레임과 아인슈타인 프레임 간의 물리적 동치성을 시사하며, 입자 생성이 진공 에너지 상쇄의 메커니즘으로서 지원됨을 뒷받침한다.