[論文レビュー] Multi-field inflation and preheating in asymmetric $α$-attractors

Oksana Iarygina, Evangelos I. Sfakianakis+2 more|Rare & Special e-Zone (The Hong Kong University of Science and Technology)|May 1, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

本稿は非対称α特徴的インフレーションとプリヒーティングを調査し、対称的Tモデルと非対称的Eモデルが、鋭い場の空間の転回により同一のインフレーションダイナミクスを示す一方で、プリヒーティング挙動は顕著に異なることを示している。主な発見は、特定の曲率および質量パラメータ（r ≈ 10⁻⁵）の下で、Eモデルでは自己共鳴プリヒーティングが効率的に行われるが、Tモデルでは失敗するため、それらは他の点で同一の単一および多場インフレーションダイナミクスを示しても、観測可能な特徴としての差異を示す可能性を有する。

ABSTRACT

We analyze and compare the multi-field dynamics during inflation and preheating in symmetric and asymmetric models of $α$-attractors, characterized by a hyperbolic field-space manifold. We show that the generalized (asymmetric) E- and (symmetric) T-models exhibit identical two-field dynamics during inflation for a wide range of initial conditions. The resulting motion can be decomposed in two approximately single-field segments connected by a sharp turn in field-space. The details of preheating can nevertheless be different. For the T-model one main mass-scale dominates the evolution of fluctuations of the spectator field, whereas for the E-model, a competing mass-scale emerges due to the steepness of the potential away from the inflationary plateau, leading to different contributions to parametric resonance for small and large wave-numbers. Our linear multi-field analysis of fluctuations indicates that for highly curved manifolds, both the E- and T-models preheat almost instantaneously. For massless fields this is always due to efficient tachyonic amplification of the spectator field, making single-field results inaccurate. Interestingly, there is a parameter window corresponding to $r={\cal O}(10^{-5})$ and massive fields, where the preheating behavior is qualitatively and quantitatively different for symmetric and asymmetric potentials. In that case, the E-model can completely preheat due to self-resonance for values of the curvature where preheating in the T-model is inefficient. This provides a first distinguishing feature between models that otherwise behave identically, both at the single-field and multi-field level. Finally, we discuss how one can describe multi-field preheating on a hyperbolic manifold by identifying the relevant mass-scales that control the growth of inflaton and spectator fluctuations, which can be applied to any $α$-attractor model and beyond.

研究の動機と目的

• 対称的（Tモデル）および非対称的（Eモデル）α特徴的場のシナリオにおける多場インフレーションおよびプリヒーティングダイナミクスを分析・比較すること。
• インフレーション軌道が同一であるにもかかわらず、対称的および非対称的ポテンシャル間でプリヒーティングがどのように異なるかを特定すること。
• 主な質量スケールを用いて、双曲的多様体上での多場プリヒーティングを記述するフレームワークを確立すること。
• 曲率および場の質量が、プリヒーティング中のパラメトリック共鳴およびタキオン的増幅に与える影響を調査すること。
• 一般のα特徴的モデルに適用可能な、多場プリヒーティングにおける制御質量スケールを同定するモデルに依存しない手法を提供すること。

提案手法

• EモデルおよびTモデルの両方を記述するため、定数の負の曲率を持つ双曲的場の空間多様体を用いる。パrameter αでパラメータ化される。
• χ=0で計量が単位行列となる場の基底を採用し、運動方程式およびゆらぎ解析を簡略化する。
• ポテンシャルおよび運動エネルギー項を(ϕ, χ)基底で導出し、V(ϕ,χ)がnおよびαに依存し、非自明な計量Gϕϕ = cosh²(βχ)、Gχχ = 1となる。
• 線形多場ゆらぎ解析を用いて有効周波数を計算し、インフレートンおよびスペクテーター場のゆらぎにおける支配的質量スケールを同定する。
• フロケ図およびパラメトリック共鳴解析を用いて、プリヒーティング中の量子ゆらぎの増幅を研究する。
• 曲率（α）、場の質量、初期条件を変化させ、tachyonicおよび自己共鳴効果に注目して、モデル間の結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポテンシャル形状が異なるにもかかわらず、対称的Tモデルと非対称的Eモデルは、同一のインフレーションダイナミクスを示すか？
• RQ2 Eモデルにおける競合する質量スケールは、Tモデルと比較してプリヒーティング中のパラメトリック共鳴にどのように影響するか？
• RQ3 Eモデルが自己共鳴による効率的プリヒーティングを達成する条件は何か？Tモデルが失敗する場合に限る。
• RQ4 質量ゼロのスペクテーター場において、タキオン的増幅が支配的となり、単一場近似が無効化されるか？
• RQ5 双曲的場の空間多様体上での多場プリヒーティングに適用可能な、普遍的な質量スケール同定手法は何か？

主な発見

• EモデルとTモデルは、鋭い場の空間の転回のため、広範な初期条件において同一の2場インフレーションダイナミクスを示す。
• 非常に曲率の高い多様体（小さなα）では、スペクテーター場の効率的タキオン的増幅のおかげで、両モデルともほぼ瞬時にプリヒーティングが進行する。
• 質量ゼロの状況では、単一場近似は失敗する。なぜならタキオン的増幅が支配的であるため、多場解析が不可欠となる。
• r ≈ 10⁻⁵および質量のある場の下で、EモデルはTモデルが非効率な曲率領域においても、自己共鳴による完全なプリヒーティングを達成でき、これが顕著な特徴差をもたらす。
• Eモデルに存在する競合する質量スケール（ポテンシャルの急峻さに起因）は、小波数および大波数においてTモデルとは異なるパラメトリック共鳴行動を引き起こす。
• 本研究は、双曲的多様体上でのプリヒーティングを制御する支配的質量スケールを同定する一般的な手法を確立し、任意のα特徴的モデルに適用可能である。