[논문 리뷰] Constraints on holographic multi-field inflation

Ana Achúcarro, Sebastián Céspedes외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 14.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 히알로그래픽 다중장 인플레이션에서, 장 수, 기하학, 궤적과는 무관하게 해밀턴–자비 형식에 의한 제약으로 인해 추가 스칼라 장이 과감소 진동을 나타낼 수 없음을 규명한다. 이 결과는 동역학적 질량에 대한 보편적인 상한(3H/2 이하, 느린 릴랙스 보정을 고려할 때)을 의미하며, 비가우시안 이방산의 진동 패턴이 관측되면 단일장 인플레이션뿐만 아니라 히알로그래픽 인플레이션 모델 전반을 배제할 수 있다.

ABSTRACT

In holographic inflation, the $4D$ dynamics is postulated to be dual to the renormalization group flow of a $3D$ Euclidean conformal field theory with marginally relevant operators. The scalar potential of the $4D$ theory ---in which inflation is realized--- is highly constrained, with use of the Hamilton--Jacobi equations. In multi-field holographic realizations of inflation, fields additional to the inflaton cannot display underdamped oscillations (that is, their wavefunctions contain no oscillatory phases independent of the momenta). We show that this result is exact, independent of the number of fields, the field space geometry and the shape of the inflationary trajectory followed in multi-field space. In the specific case where the multi-field trajectory is a straight line or confined to a plane, it can be understood as the existence of an upper bound on the dynamical masses $m$ of extra fields of the form $m \leq 3 H / 2$ up to slow roll corrections. This bound corresponds to the analytic continuation of the well known Breitenlohner--Freedman bound found in AdS spacetimes in the case when the masses are approximately constant. The absence of underdamped oscillations implies that a detection of cosmological collider oscillatory patterns in the non-Gaussian bispectrum would not only rule out single field inflation, but also holographic inflation or any inflationary model based on the Hamilton--Jacobi equations. Hence, future observations have the potential to exclude, at once, an entire class of inflationary theories, regardless of the details involved in their model building.

연구 동기 및 목표

• 다중장 히알로그래픽 인플레이션 모델에서 추가 스칼라 장의 동역학적 제약을 조사하는 것.
• 히알로그래픽 인플레이션의 맥락에서 추가 장이 과감소 진동을 나타낼 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 다중장 인플레이션 시나리오에서 추가 장의 동역학적 질량에 대한 보편적인 상한을 유도하는 것.
• 이 제약의 관측적 함의를 비가우시안 이방산에서의 진동 패턴 탐지 가능성에 평가하는 것.
• 천체물리적 복사기 관측을 통한 진동 패턴 탐지가 히알로그래픽 인플레이션 모델 전반을 보편적으로 배제할 수 있음을 확립하는 것.

제안 방법

• 4차원 히알로그래픽 인플레이션 모델에서 스칼라 포텐셜을 제약하기 위해 해밀턴–자비 형식을 적용하는 것.
• 장 공간 내 다중장 궤적의 역학을 장의 수나 기하학에 관계없이 분석하는 것.
• 모멘텀에 의존하지 않는 진동적 위상의 부재를 통해 추가 스칼라 장에서 과감소 진동이 없는 조건을 도출하는 것.
• 직선 또는 평면 궤적의 경우, 느린 릴랙스 보정을 고려할 때 추가 장의 동역학적 질량에 대해 m ≤ 3H/2의 질량 상한을 확립하는 것.
• AdS 시공간에서의 브라이텐로너–프리드만 상한을 de Sitter 유사 인플레이션 배경으로의 해석적 계속화와 연결하는 것.
• 해밀턴–자비 방정식의 구조를 이용해 결과가 장 공간 구성 전반에 걸쳐 정확하고 모델에 의존하지 않는다는 것을 보여주는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히알로그래픽 다중장 인플레이션에서 추가 스칼라 장이 과감소 진동을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 히알로그래픽 인플레이션 모델에서 추가 스칼라 장의 동역학적 질량에 대한 보편적인 상한은 무엇인가?
• RQ3 과감소 진동이 없는 것이 비가우시안 이방산에서의 천체물리적 복사기 신호 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 추가 장의 역학에 대한 제약가 장 공간 기하학과 궤적 형태에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 비가우시안 이방산에서의 진동 패턴 탐지가 히알로그래픽 인플레이션 모델을 보편적으로 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 히알로그래픽 다중장 인플레이션에서 추가 스칼라 장은 장 수, 장 공간 기하학, 궤적 형태와는 무관하게 과감소 진동을 나타낼 수 없다.
• 과감소 진동이 없는 것은 근사치에 의존하지 않는 해밀턴–자비 형식에서 도출된 정확한 결과이다.
• 직선 또는 평면 궤적의 경우, 느린 릴랙스 보정을 고려할 때 추가 장의 동역학적 질량은 m ≤ 3H/2로 제한된다.
• 이 질량 상한은 AdS 시공간에서의 브라이텐로너–프리드만 상한을 de Sitter 유사 인플레이션 배경으로 해석적 계속화한 것과 대응한다.
• 미래에 비가우시안 이방산에서의 진동 패턴이 관측되면, 히알로그래픽 인플레이션 모델뿐 아니라 해밀턴–자비 방정식에 기반한 모든 모델도 배제될 수 있다.
• 이 결과는 천체물리적 복사기 실험이 한 번의 관측으로 전체 클래스의 인플레이션 이론을 배제할 잠재력을 지닌다는 것을 암시한다.