[論文レビュー] On the Expansion Rate of the Universe at the Electroweak Scale

Michael Joyce|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 1996

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、電弱転移期に、エネルギー密度が $1/a^6$ のスケールで変化するスカラー場によって駆動されるキネーション期が、スファレオンの束縛を弱める可能性を提案している。これにより、1次転移でない第二位相転移またはクロスオーバー転移であっても、バリオン数非対称性が保存可能になる。これは、放射支配宇宙における1次転移を要する標準的要件に挑戦し、電弱スケールにおけるバリオン生成の新たなメカニズムを可能にする。

ABSTRACT

The standard requirement for the production of baryons at the electroweak phase transition, that the phase transition be first order and the sphaleron bound be satisfied, is predicated on the assumption of a radiation dominated universe at that epoch. One simple alternative - domination by the energy in a kinetic mode of a scalar field which scales as $1/a^6$ - gives a significantly weakened sphaleron bound for the preservation of a baryon asymmetry produced at a first-order phase transition, and allows the possibility that the observed baryon asymmetry be produced when the phase transition is second-order or cross-over. Such a phase of `kination' at the electroweak scale can occur in various ways as a scalar field evolves in an exponential potential after inflation.

研究の動機と目的

• 非標準的宇宙論的条件下において、標準的な電弱相転移の1次転移要件が緩和可能かどうかを調査すること。
• スカラー場エネルギーが $1/a^6$ のスケールで変化するキネーション期が、スファレオン遷移レートおよびバリオン数違反に与える影響を分析すること。
• このような条件下で、第二位相転移またはクロスオーバー相転移中に観測されたバリオン非対称性が生成可能かどうかを特定すること。
• 指数ポテンシャルに従うスカラー場を含む、自然に電弱スケールでキネーションを引き起こす宇宙論的状況を探索すること。

提案手法

• 初期宇宙をスカラー場が運動エネルギーで支配するモデル化により、電弱時代にエネルギー密度が $1/a^6$ のスケールで変化する。
• キネーション下での有効なスファレオンレート抑制要因を導出し、放射支配宇宙と比較して著しく弱まることを示す。
• 指数ポテンシャルにおけるスカラー場の運動方程式を用いて、インフレーション後にキネーションがどのように出現するかを示す。
• キネーション期におけるハッブル定数および膨張レートを計算し、スファレオン過程およびバリオン数違反に与える影響を評価する。
• キネーション下のスファレオン遷移レートを放射支配下と比較し、スファレオン束縛の弱体化を定量化する。
• キネーション状態下で第二位相転移またはクロスオーバー相転移中にバリオン非対称性が生成可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キネーション支配宇宙において、スファレオン束縛が第二位相電弱相転移中にバリオン非対称性を保存できるほど十分に弱体化するか？
• RQ2 どのような宇宙論的条件が、電弱スケールで $1/a^6$ のエネルギー密度スケーリングを持つキネーション期を引き起こすスカラー場を可能にするか？
• RQ3 キネーション期における膨張レートが、スファレオン遷移レートおよびバリオン数違反にどのように影響するか？
• RQ4 キネーション支配宇宙において、クロスオーバーまたは第二位相転移中にバリオン非対称性が生成可能な条件は何か？
• RQ5 指数ポテンシャル内でのスカラー場ダイナミクスが、自然に電弱スケールでキネーションを引き起こすか？これにより、新たなバリオン生成メカニズムが可能になるか？

主な発見

• エネルギー密度が $1/a^6$ のスケールで変化するキネーション期は、スファレオン束縛を顕著に弱め、バリオン数違反のレートを低下させる。
• スファレオン束縛の弱体化により、電弱相転移が第二位相転移またはクロスオーバーであっても、バリオン非対称性が保存可能になる。
• 宇宙が電弱スケールでキネーション期にあれば、観測されたバリオン非対称性は第二位相転移またはクロスオーバー転移中に生成可能である。
• キネーションは、インフレーション後に指数ポテンシャルに従うスカラー場が進化することで自然に出現し、この期の宇宙論的起源を提供する。
• このモデルにより、バリオン生成に必要な標準的要件の1次転移が緩和され、電弱スケールにおけるバリオン生成の新たな道筋が開かれる。