[논문 리뷰] Simple Inflationary Models in Light of BICEP2: an Update

Nobuchika Okada, V. N. Şenoğuz외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 25.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 59인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 단일 스칼라 인플라톤을 포함한 다섯 가지 인플레이션 모델을 업데이트하였으며, 페르미온 및 보존 상호작용, 힉스/Coleman-Weinberg 포텐셜, 비최소 중력 결합을 포함한다. n_s ≈ 0.96일 때, 텐서 대 스칼라 비율 r는 BICEP2의 r = 0.20+0.07-0.05와 일치하며, |dn_s/dlnk|는 10^-4에서 10^-3 수준으로 예측된다.

ABSTRACT

The BICEP2 (CMB polarimeter) experiment has recently announced the discovery of inflationary gravitational waves in the B-mode power spectrum, with the tensor to scalar ratio r = 0.20+0.07-0.05. If confirmed, this provides a tremendous boost for a class of inflationary models in which the energy scale during inflation is on the order of 10^16 GeV. Inspired by this discovery, we provide an update on five relatively well motivated inflationary models in which the inflaton is a Standard Model singlet scalar field. These include i) the textbook quadratic and quartic potential models but with additional couplings of the inflaton to fermions and bosons, which enable reheating and also modify the naive predictions for the scalar spectral index n_s and r, ii) models with Higgs and Coleman-Weinberg potentials, and finally iii) a quartic potential model with non-minimal coupling of the inflaton to gravity. For n_s values close to 0.96, as determined by the WMAP9 and Planck experiments, the all-important parameter r in these models is nicely compatible with the BICEP2 measurements. The running of the scalar spectral index, quantified by |dn_s/dlnk|, is predicted in these models to be of order 10^-4-10^-3.

연구 동기 및 목표

• BICEP2가 보고한 r = 0.20+0.07-0.05를 바탕으로, 단일 스칼라 인플라톤을 가진 잘 정립된 인플레이션 모델을 재평가한다.
• 페르미온 및 보존 상호작용 추가 시 n_s 및 r 예측에 미치는 영향을 평가한다.
• 히iggs, 콜레먼-바이너그, 비최소로 결합된 4차 포텐셜 모델이 BICEP2 및 플랑크 데이터와 일관성 있는지 테스트한다.
• 이러한 모델들에서 예측된 스칼라 스펙트럼 지수의 변화율 |dn_s/dlnk|를 정량화한다.
• WMAP9 및 플랑크의 최신 관측 제약 조건을 고려할 때 이러한 모델이 여전히 타당한지 판단한다.

제안 방법

• 텍스트북의 2차 및 4차 포텐셜 모델에 인플라톤의 페르미온 및 보존 상호작용을 추가하여 재결합을 가능하게 하고 스펙트럼 예측을 수정한다.
• 히iggs 및 콜레먼-바이너그 포텐셜 형태를 인플라톤 부문에 적용하여 그 우주론적 일관성을 평가한다.
• 비최소 중력 결합을 가진 4차 포텐셜 모델을 고려하여 곡률 상호작용에 의해 효과적 포텐셜을 수정한다.
• 저속 운동 근사법을 사용하여 스칼라 스펙트럼 지수 n_s 및 텐서 대 스칼라 비율 r의 예측을 계산한다.
• n_s ≈ 0.96 및 BICEP2의 r 측정치와 비교하여 모델 출력을 WMAP9 및 플랑크 데이터와 대조한다.
• 저속 운동 파rameter 및 포텐셜 도함수를 사용하여 스칼라 스펙트럼 지수의 변화율 |dn_s/dlnk|를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 인플레이션 모델에서 단일 스칼라 인플라톤을 사용할 때, 페르미온 및 보존 상호작용을 포함하면 BICEP2의 r = 0.20+0.07-0.05와 일치할 수 있는가?
• RQ2 히iggs 및 콜레먼-바이너그 포텐셜은 현재 CMB 데이터 맥락에서 n_s 및 r 예측에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 비최소 중력 결합은 4차 포텐셜 모델의 타당성에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 이러한 업데이트된 모델들에서 스칼라 스펙트럼 지수의 변화율 |dn_s/dlnk|는 예측되는가?
• RQ5 WMAP9 및 플랑크의 n_s ≈ 0.96 값에 기반해 이러한 모델은 여전히 타당한가?

주요 결과

• n_s ≈ 0.96일 때, 다섯 모델의 텐서 대 스칼라 비율 r는 모두 BICEP2가 보고한 r = 0.20+0.07-0.05와 일치한다.
• 인플라톤의 페르미온 및 보존 상호작용을 포함함으로써, n_s 및 r에 대한 난이한 예측이 수정되어 관측 결과와의 일치도 향상된다.
• 히iggs 및 콜레먼-바이너그 포텐셜 모델은 인플라톤이 단일 스칼라일 경우 현재의 데이터 제약 조건 하에서도 타당하다.
• 비최소로 결합된 4차 포텐셜 모델 역시 n_s ≈ 0.96일 때 r 값이 BICEP2와 일치한다.
• 스칼라 스펙트럼 지수의 변화율 |dn_s/dlnk|는 이러한 모델들 전반에서 10^-4에서 10^-3 범위로 예측된다.
• 이러한 모델들은 고에너지 스케일에서 약 10^16 GeV 수준의 인플레이션은 BICEP2의 B-모드 신호를 설명하는 데 타당한 해석으로 남아 있음을 종합적으로 시사한다.