[論文レビュー] A Model of Quintessential Inflation Consistent with Observations

Ishwaree P. Neupane|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、1つのインフレートン場が初期宇宙のインフレーションと後期のダークエネルギーを駆動する統一スカラー場モデルを提案する。場の速度は $\alpha + \beta e^{\beta N}$ として変化する。このモデルは、スペクトル指数 ($n_s = 0.96 \pm 0.013$)、テンソル対スカラー比 ($r < 0.28$)、および初期のダークエネルギー密度 ($\Omega_\phi < 0.1$ at 1 MeV) に対する観測制約を満たし、初期と後期のハッブルパラメータを自然にスケーリングする場のポテンシャルを実現する。

ABSTRACT

We present an explicit cosmological model where inflation and dark energy both could arise from the dynamics of the same scalar field. We present our discussion in the framework where the inflaton field $\phi$ attains a nearly constant velocity $m_P^{-1} |d\phi/dN|\equiv \alpha+\beta \exp(\beta N)$ (where $N\equiv \ln a$ is the e-folding time) during inflation. We show that the model with $|\alpha|<0.25$ and $\beta<0$ can easily satisfy inflationary constraints, including the spectral index of scalar fluctuations ($n_s=0.96\pm 0.013$), tensor-to-scalar ratio ($r<0.28$) and also the bound imposed on $\Omega_\phi$ during the nucleosynthesis epoch ($\Omega_\phi (1 { m MeV})<0.1$). In our construction, the scalar field potential always scales proportionally to the square of the Hubble expansion rate. One may thereby account for the two vastly different energy scales associated with the Hubble parameters at early and late epochs. The inflaton energy could also produce an observationally significant effective dark energy at a late epoch without violating local gravity tests.

研究の動機と目的

• 1つのスカラー場フレームワーク内でインフレーションとダークエネルギーを統一すること。
• スペクトル指数、テンソル対スカラー比、初期のダークエネルギー密度に関する厳密な観測制約を満たすこと。
• 後期の有効ダークエネルギーがあるにもかかわらず、局所重力テストと整合すること。

提案手法

• 場の速度を $ m_P^{-1} |d\phi/dN| = \alpha + \beta e^{\beta N} $ とモデル化し、$ \beta < 0 $ かつ $ |\alpha| < 0.25 $ とする。
• すべての時刻においてハッブルパラメータの二乗に比例するポテンシャルを構築する。
• エーフォールディング $ N = \ln a $ を通じて場を動的に進化させ、インフレーションから後期加速への滑らかな遷移を保証する。
• 場の運動エネルギーを利用して、初期のインフレーションと後期の有効ダークエネルギーを両方生成する。
• 核合成に矛盾しないように、1 MeVにおける $ \Omega_\phi $ を 0.1 未満に制約する。
• 低エネルギー領域における一般相対性理論からの著しいずれのずれも生じないことを確認することで、局所重力との整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのスカラー場が、観測制約を満たしつつ、動的にインフレーションと後期のダークエネルギーを両方生成できるか？
• RQ2 場の速度の進化のどの関数的形態が、CMBデータと核合成と整合的か？
• RQ3 極めて異なるエネルギースケール（初期宇宙対後期宇宙）において、スカラー場のポテンシャルを適切にスケーリングする方法は何か？
• RQ4 モデルは、局所重力テストに違反することなく、観測的に顕著な有効ダークエネルギーを生成するか？

主な発見

• $ |\alpha| < 0.25 $ かつ $ \beta < 0 $ のモデルは、観測されたスペクトル指数 $ n_s = 0.96 \pm 0.013 $ をうまく満たす。
• テンソル対スカラー比は $ r < 0.28 $ で制限され、現在の観測限界と整合的である。
• 核合成期における場のエネルギー密度は $ \Omega_\phi(1\,\text{MeV}) < 0.1 $ に制限され、ビッグバン核合成と矛盾しない。
• スカラー場のポテンシャルは $ V \propto H^2 $ としてスケーリングされ、初期と後期の両エポックでハッブルパラメータを自然に一致させる。
• 局所重力制約に違反することなく、後期に観測的に顕著な有効ダークエネルギーを生成する。
• 場の速度の進化 $ \alpha + \beta e^{\beta N} $ は、インフレーションからダークエネルギー支配への滑らかな遷移を可能にする。