[논문 리뷰] Particle Physics and Inflationary Cosmology

Andrei Linde|arXiv (Cornell University)|2005. 03. 26.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 기초적 저서는 인플레이션 우주론 이론의 시각에서 입자물리학과 천체물리학을 통합하며, 급격한 초기 팽창 단계 동안의 양자 양태가 대규모 구조를 형성하게 했다고 제안한다. 그 이론은 대Unified 이론과 자발적 대칭 깨짐이 인플레이션을 위한 이론적 틀을 제공함으로써 관측과 일치하는 평탄하고 균일한 우주를 이끌어내며, 미세 및 거시 물리학을 통합적인 그림으로 제시한다.

ABSTRACT

This is the LaTeX version of my book "Particle Physics and Inflationary Cosmology'' (Harwood, Chur, Switzerland, 1990). I decided to put it to hep-th, to make it easily available. Many things happened during the 15 years since the time when it was written. In particular, we have learned a lot about the high temperature behavior in the electroweak theory and about baryogenesis. A discovery of the acceleration of the universe has changed the way we are thinking about the problem of the vacuum energy: Instead of trying to explain why it is zero, we are trying to understand why it is anomalously small. Recent cosmological observations have shown that the universe is flat, or almost exactly flat, and confirmed many other predictions of inflationary theory. Many new versions of this theory have been developed, including hybrid inflation and inflationary models based on string theory. There was a substantial progress in the theory of reheating of the universe after inflation, and in the theory of eternal inflation. It's clear, therefore, that some parts of the book should be updated, which I might do sometimes in the future. I hope, however, that this book may be of some interest even in its original form. I am using it in my lectures on inflationary cosmology at Stanford, supplementing it with the discussion of the subjects mentioned above. I would suggest to read this book in parallel with the book by Liddle and Lyth "Cosmological Inflation and Large Scale Structure,'' with the book by Mukhanov "Physical Foundations of Cosmology,'' to be published soon, and with my review article hep-th/0503195, which contains a discussion of some (but certainly not all) of the recent developments in inflationary theory.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 입자물리학과 천체물리 현상 사이에 이론적 다리를 쌓고자 하며, 특히 우주의 대규모 구조 기원을 다룬다.
• 통일 게이지 이론에서의 자발적 대칭 깨짐이 기하급수적 팽창(인플레이션) 단계를 초래할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 인플레이션이 평탄성, 수평성, 단극 문제와 같은 핵심 천체물리 문제를 해결할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 진공 에너지, 바리온 생성, 다중우주 시나리오에 대한 인플레이션의 함의를 탐색하고자 한다.
• 고에너지에서의 양자장 이론과 중력의 프레임워크를 사용하여 초기 우주를 이해하는 틀을 제공하고자 한다.

제안 방법

• 초기 우주에서의 상전이를 묘사하기 위해 자발적 대칭 깨짐을 포함한 대Unified 이론(GUTs)을 사용한다.
• 기하급수적 팽창을 이끄는 스칼라 장(예: 인플라톤)을 모델링하기 위해 곡률이 있는 시공간에서의 양자장 이론을 적용한다.
• 초고온 상태에서 초밀도 물질의 거동을 묘사하기 위해 양성역학의 점근적 자유도를 통합한다.
• 인플레이션의 시작을 상전이를 통해 모델링하기 위해 가짜 진공 붕괴와 기포 핵형성 개념을 활용한다.
• 인플레이션 이후 재열 역학을 분석하여 입자 생성과 우주의 열역학적 역사 간의 연결 고리를 설정한다.
• 양자 양태가 인플라톤 장에서 발생하는 영속적 인플레이션과 다중우주에 기반한 함의를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통일 게이지 이론에서의 자발적 대칭 깨짐이 초기 우주에서 기하급수적 팽창 단계를 어떻게 유도할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 장의 양자 양태가 천체복사배경에서 관측된 초기 밀도 비균형을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 인플레이션이 표준 빅뱅 모델의 수평성, 평탄성, 단극 문제를 어떻게 해결하는가?
• RQ4 특히 점근적 자유도와 GUT 스케일 상전이가 초기 우주의 열역학적 역사와 구조 형성에 어떤 함의를 지니는가?
• RQ5 인플라톤 장에서의 양자 양태로부터 어떻게 영속적 인플레이션이 유도되며, 이는 다중우주의 전반적 구조에 어떤 함의를 지니는가?

주요 결과

• 인플레이션은 작은 인과적 연결 영역을 기하급수적으로 팽창시킴으로써 수평성, 평탄성, 단극 문제에 자연스럽게 해결책을 제공한다.
• 인플레이션 기간 동안 인플라톤 장의 양자 양태가 초기 밀도 비균형을 생성하며, 이는 대규모 구조와 천체복사배경 이방성의 원천이 된다.
• 이론은 관측 결과(COBE, WMAP 및 후속 임무)와 일치하는 거의 척도 불변 스펙트럼을 예측한다.
• 우주의 공간적 평탄성 또는 거의 평탄성이 예측되며, 현대 천체물리학 데이터에 의해 확인되었다.
• 인플레이션 역학은 가짜 진공 단계 이후 우주의 재열을 가능하게 하여 뜨거운 빅뱅과 열화를 이끈다.
• 이 틀은 일부 영역에서 영속적으로 인플레이션을 지속할 수 있으며, 이는 다양한 저에너지 물리 법칙을 가진 다중우주로 이어질 수 있음을 시사한다.