[논문 리뷰] Particle production from symmetry breaking after inflation

J. García-Bellido, E. Ruiz Morales|arXiv (Cornell University)|2001. 09. 25.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션 이후 대칭 깨짐이 빠른 타키온(preheating)을 유도하여 장파장 모드의 스핀odal 성장에 의해 빠른 입자 생성을 일으킨다고 제안한다. 이 메커니즘은 초거대 어둠성 물질 형성과 렙톤제생을 통한 중성미자 비대칭성에 대한 새로운 길을 제시할 수 있다.

ABSTRACT

Recent studies suggest that the process of symmetry breaking after inflation typically occurs very fast, within a single oscillation of the symmetry-breaking field, due to the spinodal growth of its long-wave modes, otherwise known as `tachyonic preheating'. We show how this sudden transition from the false to the true vacuum can induce a significant production of particles, bosons and fermions, coupled to the symmetry-breaking field. We find that this new mechanism of particle production in the early Universe may have interesting consequences for the origin of supermassive dark matter and the generation of the observed baryon asymmetry through leptogenesis.

연구 동기 및 목표

• 인플레이션 이후 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 급격한 전이 동안의 입자 생성 역학을 조사하기 위해.
• 대칭 깨짐 필드의 장파장 모드의 스핀odal 성장이 어떻게 급속한 입자 생성을 이끄는지 이해하기 위해.
• 이 메커니즘이 초거대 어둠성 물질과 렙톤제생을 통한 중성미자 비대칭성 생성에 미치는 천체물리적 영향을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 가짜 진공과 진짜 진공 최소값을 지닌 잠재에너지가 있는 스칼라 필드를 사용하여 대칭 깨짐 필드를 모델링하기 위해.
• 확장 배경에서의 선형화된 운동 방정식을 사용하여 필드의 장파장 양자 변동의 진화 분석하기 위해.
• 대칭 깨짐 전이 기간 동안 스핀odal 불안정성으로 인해 지수적으로 증가하는 타키온(허수 질량) 모드 식별하기 위해.
• 곡률 시공간 내 양자장 이론을 사용하여 대칭 깨짐 필드에 결합된 보손 및 페르미온의 입자 생성률 계산하기 위해.
• 생성된 입자의 에너지 밀도와 수밀도 평가하여 천체물리적 관련성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 이후 대칭 깨짐은 얼마나 빠르게 발생하며, 진짜 진공으로의 급속한 전이를 이끄는 요인은 무엇인가?
• RQ2 대칭 깨짐 필드의 스핀odal 모드는 입자 생성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 이 단계 동안 보손 및 페르미온의 입자 생성의 크기와 스펙트럼은 어떠한가?
• RQ4 이 메커니즘은 관측된 초거대 어둠성 물질의 농도를 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 과정은 초기 우주에서 렙톤제생을 통해 중성미자 비대칭성을 생성하는 타당한 메커니즘을 제공하는가?

주요 결과

• 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 전이는 타키온(preheating)으로 인해 필드의 한 주기 내에 발생한다.
• 장파장 모드가 스핀odal 불안정성에 의해 지수적으로 증가하여 급속한 입자 생성을 이끈다.
• 대칭 깨짐 필드의 역학에 의해 보손 및 페르미온 모두가 상당한 수준으로 생성된다.
• 이 메커니즘은 무거운 입자의 응집된 생성을 통해 자연스럽게 초거대 어둠성 물질 후보를 생성할 수 있다.
• 이 과정은 초기 우주에서 관측된 중성미자 비대칭성을 렙톤제생을 통해 생성할 수 있는 잠재적 길을 제공한다.