[논문 리뷰] SuperCool Inflation: A Graceful Exit from Eternal Inflation at LHC Scales and Below

Douglas Spolyar|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 67인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 QCD 유사 페르미온과 양자역학적 상호작용을 갖는 인플라톤을 포함하는 열적이고 기술적으로 자연스러운 과정을 통해 영구적 인플레이션에서의 유려한 종료를 가능하게 하는 SuperCool Inflation (SCI) 메커니즘을 제안한다. 우주가 냉각됨에 따라 고결된 비아벨 게이지 군이 페널티 항을 유도하여 가짜 진공을 불안정하게 만들며, 느린 굴림이나 스칼라 장 역학 없이 인플레이션을 종료한다. 이는 LHC 스케일에서 검증 가능한 인플레이션을 가능하게 하며, 경량의 동반 장(field)을 통해 CMB와 호환되는 밀도 불안정성의 기원을 제공한다.

ABSTRACT

In SuperCool Inflation (SCI), a technically natural and thermal effect gives a graceful exit to old inflation. The Universe starts off hot and trapped in a false vacuum. The Universe supercools and inflates solving the horizon and flatness problems. The inflaton couples to a set of QCD like fermions. When the fermions' non-Abelian gauge group freezes, the Yukawa terms generate a tadpole for the inflaton, which removes the barrier. Inflation ends, and the Universe rapidly reheats. The thermal effect is technically natural in the same way that the QCD scale is technically natural. In fact, Witten used a similar mechanism to drive the Electro-Weak (EW) phase transition; critically, no scalar field drives inflation, which allows SCI to avoid eternal inflation and the measure problem. SCI also works at scales, which can be probed in the lab, and could be connected to EW symmetry breaking. Finally, we introduce a light spectator field to generate density perturbations, which match the CMB. The light field does not affect the inflationary dynamics and can potentially generate non-Gaussianities and isocurvature perturbations observable with Planck.

연구 동기 및 목표

• 隧향이 너무 느려 인플레이션을 끝내는 데 실패하는 古いイン플레이션 이론의 '유려한 종료 문제'를 해결하기 위해.
• 느린 굴림 역학을 제거함으로써 영구적 인플레이션과 관련된 측도 문제를 피하기 위해.
• 낮은 에너지 스케일(테바 및 이하)에서 인플레이션을 실현함으로써 LHC에서 검증 가능하게 하기 위해.
• 인플라톤 장에 의존하지 않고도 CMB 관측과 호환되는 등온 밀도 불안정성을 생성하기 위해.
• 이sovcurvature 및 비정규 불안정성을 생성하는 새로운 메커니즘인 '아울로스(аulos)'를 도입하기 위해.

제안 방법

• 모델은 콜드먼-바이너드 포텐셜을 갖는 복소 스칼라 인플라톤 장을 사용하며, 양자역학적 상호작용을 통해 QCD 유사 페르미온과 결합한다.
• 유한한 온도 효과가 인플레이션 기간 동안 가짜 진공을 안정화시켜 터널링을 억제한다.
• 임계 온도 Tc에 도달함에 따라 비아벨 게이지 군이 고결되며, 페르미온 응집체 ⟨λ̄λ⟩ ≃ Tc³ 가 형성된다.
• 이 응집체는 인플라톤 포텐셜에 페널티 항을 유도하여 장벽을 제거하고 인플레이션을 종료한다.
• 경량의 동반 장(‘아울로스’ 장)을 도입하여, 이는 위상 대칭 깨짐 메커니즘에 의해 이sovcurvature 불안정성을 생성하는 Pseudo-Nambu-Goldstone 보손이다.
• 인플레이션 종료 시 아울로스 장이 진동하며 복사로 붕괴되며, CMB 관측과 일치하는 등온 밀도 불안정성을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열적이고 기술적으로 자연스러운 메커니즘이 느린 굴림 역학 없이 영구적 인플레이션에서의 유려한 종료를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 테바 스케일 에너지에서 인플레이션을 달성하면서 측도 문제와 플랑크 스케일 초과 문제를 피할 수 있는가?
• RQ3 인플라톤 장에 의존하지 않고 등온 밀도 불안정성을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ4 아울로스 메커니즘은 관측 가능한 비정규 불안정성과 플랑크 위성에서 검출 가능한 이sovcurvature 불안정성을 생성할 수 있는가?
• RQ5 페르미온 응집체에 의한 진공 불안정화 메커니즘(위튼 유형)은 스칼라 장 주도 인플레이션의 타당한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 고결된 비아벨 게이지 군에 의해 유도된 열적이고 기술적으로 자연스러운 페널티 메커니즘을 통해 인플레이션의 유려한 종료를 달성한다.
• Tc에서 인플레이션은 빠르게 종료되며, 이는 고전적으로 안정한 가짜 진공이 존재하더라도 영구적 인플레이션과 관련된 측도 문제를 피한다.
• 이 메커니즘은 QCD 스케일과 유사하게 기술적으로 자연스럽고, 약 10^20 배의 스케일 히erarchi를 갖는다. 이는 전자약력 스케일과 유사하다.
• 모델은 LHC 에너지 이하에서 작동하므로 실험실에서 검증 가능할 수 있다.
• 아울로스 장은 CMB 관측과 일치하는 등온 밀도 불안정성으로 진화하는 이sovcurvature 불안정성을 생성한다.
• 모델은 관측 가능한 비정규 불안정성과 이sovcurvature 모드를 예측하며, 플랑크 및 향후 CMB 실험에서 검출 가능할 수 있다.