[논문 리뷰] Unification of Inflation and Dark Energy from Spontaneous Breaking of Scale Invariance

Eduardo Guendelman, Emil Nissimov외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 23.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 20인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 비리emannian 체적 형태를 사용하여 전역 Weyl 스케일 대칭을 자동으로 깨뜨리는 통합 중력-물질 모델을 제안한다. 이로 인해 두 개의 서로 다른 평탄한 영역을 가진 단일 스칼라 장의 포텐셜이 유도되며, 이는 초기 우주에서의 인플레이션과 최근 우주의 어두운 에너지를 하나의 스칼라 장에서 자연스럽게 실현한다. 진공 에너지 스케일은 관측 데이터와 일치한다: 인플레이션에 대해 $ U_{(-)} \sim 10^{-8}M_{\text{Pl}}^4 $, 어두운 에너지에 대해 $ U_{(+)} \sim 10^{-120}M_{\text{Pl}}^4 $.

ABSTRACT

We propose a new class of gravity-matter models defined in terms of two independent non-Riemannian volume forms (alternative generally covariant integration measure densities) on the spacetime manifold. For the matter we choose appropriate scalar field potentials of exponential form so that the full gravity-matter system is invariant under global Weyl-scale symmetry. Solution of the pertinent equations of motion produce two dimensionful integration constants which spontaneously break global Weyl-scale invariance. In the resulting effective Einstein-frame gravity-matter system we obtain an effective potential for the scalar matter field which has an interesting cosmological application, namely, it allows for a unified description of both an early universe inflation and present day dark energy.

연구 동기 및 목표

• 단일 이론적 프레임워크 내에서 초기 우주 인플레이션과 현재 어두운 에너지를 통합함으로써 우주론적 상수 문제를 해결하는 것.
• 인플레이션과 어두운 에너지의 에너지 스케일 간의 계층 문제를 동적으로 두 개의 서로 다른 진공 에너지 밀도를 생성함으로써 해결하는 것.
• 전역 Weyl-스케일 불변성을 가지며, 이로 인해 인플레이션 및 어두운 에너지 단계를 생성하는 중력-물질 모델을 구축하는 것.
• 스칼라 장의 운동 에너지 항이 항상 캐논리컬 유지되며, 느린 굴림 조건을 만족시키기 위해 두 개의 큰 평탄한 포텐셜 영역을 확보하는 것.
• 차원이 있는 통합 상수로부터 관측된 현재 우주의 진공 에너지 밀도($\sim 10^{-120}M_{\text{Pl}}^4$)와 인플레이션 스케일($\sim 10^{-2}M_{\text{Pl}}$)을 자연스럽게 재현하는 것.

제안 방법

• 스pacetime에 두 개의 독립적인 비리emannian 체적 형태를 도입하여, 보조 반대칭 게이지 장을 통해 정의함으로써 중력 및 물질 작용 적분을 수정한다.
• 전역 Weyl-스케일 대칭에 대해 불변인 중력-물질 작용을 구성하며, 스칼라 장 포텐셜을 지수 형태로 설정하여 이 대칭을 유지한다.
• 운동 방정식을 해결하여 세 개의 통합 상수($\chi_2$, $M_1$, $M_2$)를 도출하며, 이 중 $M_1$과 $M_2$는 Weyl-스케일 대칭의 자동 깨짐을 유도한다.
• 효과적인 아인슈타인-프레임 스칼라 포텐셜 $U_{\text{eff}}(\varphi)$를 유도하며, 고에너지 및 저에너지 진공 에너지 밀도에 해당하는 두 개의 무한히 평탄한 영역을 가진다.
• 효과적 포텐셜을 사용하여 우주론적 진화를 기술한다: 음의 $\varphi$ 영역에서의 느린 굴림(인플레이션), 급격한 감소, 양의 $\varphi$ 영역에서의 다시 느린 굴림(어두운 에너지).
• 통합 상수 $M_1 \sim M_{\text{EW}}^4$, $M_2 \sim M_{\text{Pl}}^4$, $\chi_2 \sim 1$을 조정하여 두 진공 에너지 스케일의 정확한 주요 순서를 재현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기적으로 스케일 대칭을 깨뜨림으로써 하나의 스칼라 장 모델이 동시에 초기 우주 인플레이션과 최근 어두운 에너지를 기술할 수 있는가?
• RQ2 인플레이션과 어두운 에너지의 에너지 스케일 격차는 단일 스케일 불변 중력-물질 프레임워크 내에서 어떻게 자연스럽게 설명될 수 있는가?
• RQ3 두 개의 독립적인 비리emannian 체적 형태는 어떻게 느린 굴림 역학을 위한 두 개의 평탄한 영역을 가진 통합 포텐셜을 생성하는가?
• RQ4 현대 우주의 관측된 진공 에너지 밀도($\sim 10^{-120}M_{\text{Pl}}^4$)는 스케일 불변 모델의 기본 매개변수로부터 자연스럽게 도출될 수 있는가?
• RQ5 모델은 플랑크 데이터에 일치하는 텐서 대 스칼라 비율 $r$을 재현할 수 있는가, 동시에 고에너지 스케일 인플레이션 단계도 유지하는가?

주요 결과

• 모델은 두 개의 무한히 평탄한 영역을 가진 효과적 스칼라 포텐셜을 생성한다: 고에너지 영역($U_{(-)} \sim f_1^2/f_2$)은 인플레이션을 위한 것이고, 저에너지 영역($U_{(+)} \sim M_1^2/(4\chi_2 M_2)$)은 어두운 에너지를 위한 것이다.
• 현재 우주의 진공 에너지 밀도는 $U_{(+)} \sim M_{\text{EW}}^8 / M_{\text{Pl}}^4 \sim 10^{-120}M_{\text{Pl}}^4$로 유도되며, 관측된 값과 일치한다.
• 인플레이션의 진공 에너지 스케일은 $U_{(-)} \sim 10^{-8}M_{\text{Pl}}^4$이며, BICEP2 및 플랑크 데이터로부터 유도된 에너지 스케일($\sim 10^{-2}M_{\text{Pl}}$)과 일치한다.
• 확장된 모델에서 $\epsilon R^2$ 항을 포함한 경우, 텐서 대 스칼라 비율 $r$은 플랑크 콜라보레이션 데이터와 일치한다. 이는 BICEP2 결과와는 다를 수 있다.
• 스칼라 장이 느린 굴림이 아닌 전이를 통해 인플레이션 플라토우에서 어두운 에너지 플라토우로 진화하는 '쿼인티세셔널 인플레이션' 시나리오를 실현한다.
• 스칼라 장의 운동 에너지 항은 전체 과정 동안 항상 캐논리컬 유지되며, 비캐논리컬 역학의 복잡성을 피한다.