[논문 리뷰] Thermal and quantum induced early superstring cosmology

F. Bourliot, John Estes외 2명|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 37인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 초끈이론 프레임워크를 통해 초기 우주 우주론을 제안하며, 은하계를 토러스로 모델링하고 초끈의 기체로 채운 상태에서 경계 조건을 통해 열적 효과와 초대칭 붕괴 효과를 포함한다. 비정적인 진화가 항상 복사 지배 해법으로 이어지며, 내부 차원은 동적으로 확장되고 다른 차원은 안정화됨으로써, 인플레이션 우주론의 UV 완전한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

In this work, we review the results of Refs [1]-[5] dedicated to the description of the early Universe cosmology induced by quantum and thermal effects in superstring theories. The present evolution of the Universe is described very accurately by the standard Lambda-CDM scenario, while very little is known about the early cosmological eras. String theory provides a consistent microscopic theory to account for such missing epochs. In our framework, the Universe is a torus filled with a gas of superstrings. We first show how to describe the thermodynamical properties of this system, namely energy density and pressure, by introducing temperature and supersymmetry breaking effects at a fundamental level by appropriate boundary conditions. We focus on the intermediate period of the history: After the very early "Hagedorn era" and before the late electroweak phase transition. We determine the back-reaction of the gas of strings on the initially static space-time, which then yields the induced cosmology. The consistency of our approach is guaranteed by checking the quasi-staticness of the evolution. It turns out that for arbitrary initial boundary conditions at the exit of the Hagedorn era, the quasi-static evolutions are universally attracted to radiation-dominated solutions. It is shown that at these attractor points, the temperature, the inverse scale factor of the Universe and the supersymmetry breaking scale evolve proportionally. There are two important effects which result from the underlying string description. First, initially small internal dimensions can be spontaneously decompactified during the attraction to a radiation dominated Universe. Second, the radii of internal dimensions can be stabilized.

연구 동기 및 목표

• 초끈이론을 사용하여 초기 우주의 UV 완전한 기술을 개발함으로써, 인플레이션 이전 시대에 대한 이해 부족을 해결한다.
• 유클리드 시간과 압축된 차원에서 경계 조건을 통해 열적 효과와 초대칭 붕괴를 기본 수준에서 통합한다.
• 초끈 기체가 시공간 기하학에 미치는 역작용을 분석하고, 원칙에서 유도된 유도된 우주 진화를 도출한다.
• 초끈이론이 초기 진화 중 차원 수의 변화를 동적으로 생성하고 내부 차원을 안정화시킬 수 있는지 탐색한다.
• 이 프레임워크가 인플레이션의 대안으로서의 잠재력을 평가하며, 특히 헤이지드론 단계와 균일성 확보에 기여하는지를 분석한다.

제안 방법

• 초기 우주를 초끈 기체가 있는 토러스 압축화로 모델링하고, 1-루프 유클리드 초끈 분할 함수를 사용하여 에너지 밀도와 압력을 계산한다.
• 유클리드 시간 방향의 주기적 경계 조건을 통해 온도를 도입하고, 내부 압축 차원에서의 비자명한 경계 조건을 통해 초대칭 붕괴를 구현한다.
• 초끈 작용에서 유도된 저에너지 효과 방정식의 운동 방정식을 풀며, 빠른 변화를 피하기 위해 비정적인 진화를 가정한다.
• 내부 반지름의 역학을 분석하여 초대칭 붕괴에 참여하는 차원(가능성 있게 확장되는)과 안정화되는 차원을 구분한다.
• 스케일 인자 a(t)와 랩스 함수 N(t)를 포함한 프리드만-레마르트르-로버트슨-워커 (FLRW) 메트릭을 대규모 기하학을 기술하는 데 사용한다.
• 헤이지드론 시대의 끝에서 전자약 상전이에 이르기까지의 진화를 연구하며, 중간 시점 t_E ≪ t ≪ t_W 에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초끈 이론에서의 열적 및 양자 효과가 초기 인플레이션 단계 없이도 복사 지배 우주 진화를 이끌 수 있는가?
• RQ2 초끈 기체의 열역학과 초대칭 붕괴의 영향을 받는 내부 압축 차원은 어떻게 진화하는가?
• RQ3 초기 우주 진화 중 내부 차원이 확장되거나 안정화되는가를 결정하는 요소는 무엇인가?
• RQ4 초끈 이론 프레임워크가 자연스럽게 균일하고 등방성이며 평탄한 우주를 유도하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 이 프레임워크가 헤이지드론 전이 문제를 해결하면서 표준 인플레이션 시나리오의 UV 완전한 대안을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 헤이지드론 시대의 끝에서 시작된 비정적인 진화는 초기 경계 조건에 관계없이 항상 복사 지배 해법(RDS)으로 유도된다.
• RDS 안착점에서 온도, 역스케일 인자, 초대칭 붕괴 스케일이 비례적으로 진화함으로써, 일반적인 척도 행동을 나타낸다.
• 초대칭 붕괴에 참여하는 내부 차원은 동적으로 확장될 수 있으며, 이는 효과적인 시공간 차원 수의 증가를 초래한다.
• 초대칭 붕괴에 참여하지 않는 내부 차원은 초끈 기체의 열적 및 양자적 역작용에 의해 안정화된다.
• 이 모델은 상당한 인플레이션을 예측하지 않으며, 대신 초끈 기체 단계에서의 안착점 역학을 통해 균일성과 평탄성을 달성한다.
• 이 프레임워크는 양자장론의 발산을 피하는 일관되고 UV 유한한 초기 우주론 기술을 제공한다.