[论文解读] Connecting Cosmic Inflation to Particle Physics with LiteBIRD, CMB-S4, EUCLID and SKA

Marco Drewes, Ming Lei|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用 5

一句话总结

本文量化了未来宇宙微波背景（CMB）实验——LiteBIRD、CMB-S4、EUCLID 和 SKA——如何通过再加热动力学约束暴胀子与粒子物理场的耦合。结果表明，这些任务能够排除大范围的再加热温度，从而实现对 RGI 模型中暴胀子耦合 $X = -5.5 \pm 1.7$ 的直接测量，以及在 $\alpha$-吸引子模型中建立 $T_{\text{re}} > 10^{14}$ GeV 的下限，为暴胀与基本粒子物理之间提供了关键联系。

ABSTRACT

We show that next generation Cosmic Microwave Background experiments will be capable of the first ever measurement of the inflaton coupling to other particles, opening a new window to probe the connection between cosmic inflation and particle physics. This sensitivity is based on the impact that the reheating phase after cosmic inflation has on the redshifting of cosmic perturbations. For our analysis we introduce a simple analytic method to estimate the sensitivity of future CMB observations to the reheating temperature and the inflaton coupling. Applying our method to LiteBIRD and CMB-S4 we find that, within a given model of inflation, these missions have the potential to impose both an upper and a lower bound on the inflaton coupling. Further improvement can be achieved if CMB data is combined with optical and 21cm surveys. Our results demonstrate the potential of future observations to constrain microphysical parameters that can provide an important clue to understand how a given model of inflation may be embedded in a more fundamental theory of nature.

研究动机与目标

• 量化未来 CMB 与大尺度结构巡天如何约束连接宇宙暴胀与粒子物理的微观参数。
• 评估 LiteBIRD、CMB-S4、EUCLID 和 SKA 对再加热温度 $T_{\text{re}}$ 与暴胀子耦合 $X$ 的敏感度。
• 确定未来数据是否能够测量或约束特定暴胀模型（尤其是 RGI 与 $\alpha$-吸引子 $T$ 模型）中的暴胀子耦合 $X$。
• 评估结合 CMB 与大尺度结构数据如何打破参数退化，并改善对 $\alpha$ 与 $X$ 的约束。
• 建立从 CMB 观测量到暴胀模型中微观耦合的直接观测路径。

提出的方法

• 本研究使用再加热方程状态 $\bar{w}_{\text{re}}$ 作为 $T_{\text{re}}$ 与再加热期间的 $e$-fold 数 $N_{\text{re}}$ 的函数，该函数由 CMB 观测推导得出。
• 通过慢滚参数 $\epsilon_k = r/16$ 与 $\eta_k = (n_s - 1 + 3r/8)/2$，将 $N_{\text{re}}$ 与 $k$-模在基准尺度的视界穿越 $N_{\text{k}}$ 关联起来。
• 利用 $\partial_\varphi \mathcal{V}/\mathcal{V} \propto \sqrt{r}/M_{\text{pl}}$ 与 $\partial_\varphi^2 \mathcal{V}/\mathcal{V} \propto (n_s - 1 + 3r/8)/M_{\text{pl}}^2$，将 $\varphi_k$ 处的有效势导数表示为 $n_s$、$r$ 与 $A_s$ 的函数。
• 根据 $N_{\text{re}}$ 与 $\bar{w}_{\text{re}}$ 计算再加热温度 $T_{\text{re}}$，其中 $\bar{w}_{\text{re}}$ 取决于再加热机制与暴胀子耦合 $X$。
• 应用贝叶斯推断，结合 Planck、WMAP 与 BICEP/Keck 的约束，并估算 LiteBIRD、CMB-S4、EUCLID 与 SKA 的未来灵敏度。
• 通过结合 CMB 数据与大尺度结构巡天（EUCLID、SKA）实现对 $\alpha$ 与 $X$ 的同时约束，从而打破退化。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来 CMB 实验（如 LiteBIRD 与 CMB-S4）是否能显著改善对再加热温度 $T_{\text{re}}$ 的约束？
• RQ2 结合 CMB 与大尺度结构数据后，暴胀子耦合 $X$ 的测量或约束程度如何？
• RQ3 $\alpha$-吸引子模型中的反馈效应在多大程度上限制了对 $X$ 的模型无关下限提取能力？
• RQ4 加入 EUCLID 与 SKA 数据对降低 $X$ 的不确定性以及打破与 $\alpha$ 的退化关系有何影响？
• RQ5 再加热阶段是否可作为探测暴胀子与其他粒子物理场之间微观耦合的有效探针？

主要发现

• LiteBIRD 与 CMB-S4 可对 RGI 与 $\alpha$-吸引子 $T$ 模型中的再加热温度 $T_{\text{re}}$ 排除多个数量级的范围。
• 在 RGI 模型中，暴胀子耦合被测量为 $X = -5.5 \pm 1.7$，当引入 EUCLID 数据后，精度进一步提升至 $X = -6.1 \pm 1.2$。
• 在 $\alpha$-吸引子模型中，反馈效应阻止了对 $X$ 的直接测量，但可建立 $T_{\text{re}} > 10^{14}$ GeV 的下限。
• 结合 CMB-S4 与 EUCLID、SKA 数据可减小 $X$ 的误差条，并打破 $\alpha$ 与 $X$ 之间的退化，实现同时约束。
• 本研究表明，未来 CMB 与大尺度结构巡天可探测连接暴胀与粒子物理的微观参数，为基本物理提供关键检验。
• 结果表明，再加热动力学编码了关于暴胀子耦合的信息，使其成为超越标准 $\Lambda$CDM 框架的暴胀模型约束的可行目标。