[论文解读] Preheating in a DBI Inflation Model

Jun Zhang, Yi-Fu Cai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 25被引用 7

一句话总结

本文研究了在非规范标量场与规范熵场耦合的DBI暴胀模型中，暴胀前加热的动力学。通过数值模拟，表明扭曲因子会减缓标量场振荡的阻尼，延长参数共振并增强粒子产生，使前加热过程比标准规范模型显著更高效。

ABSTRACT

We study the preheating process in a model of DBI inflation with a DBI-type inflaton coupling to a canonical entropy field. At the end of inflation, the inflaton field oscillates around its vacuum which can arise from an infrared cutoff parameter on the warp factor and correspondingly the evolution of its fluctuations can be approximately described by a generalized Hill's equation in third order. We study the field fluctuations numerically and show that they could grow exponentially since the instability bands commonly exist in the DBI models if the amplitudes of background oscillations are of order or larger than the cutoff parameter. Our numerical result also reveals that the particle excitation of the matter field is more dramatic than that in usual case since the parametric resonance lasts longer when the effect of a warp factor is taken into account. Therefore, we conclude that the preheating process in the model of DBI inflation could be more efficient than that in standard inflation models.

研究动机与目标

• 研究非规范标量场与规范熵场耦合的DBI暴胀模型中的前加热动力学。
• 探讨扭曲因子与红外截断对暴胀后标量场振荡及场涨落的影响。
• 比较DBI前加热与标准规范模型中粒子产生的效率。
• 对描述DBI框架下标量场涨落的广义希尔方程的不稳定带进行数值分析。
• 评估非规范动能项是否通过延长共振来增强前加热效率。

提出的方法

• 通过扭曲因子 $ f( heta) $ 建模DBI暴胀作用量，为标量场 $ heta $ 引入非规范动能项。
• 推导暴胀后标量场的背景演化，表明由于扭曲因子的红外截断，其呈现平滑振荡。
• 推导标量场与熵场涨落的微扰方程，得到关于 $ heta $ 的三阶广义希尔方程。
• 对固定共动波数的耦合方程进行数值求解，追踪 $ heta $ 与 $ ho $ 的傅里叶模的演化。
• 利用适配于DBI背景的标准前加热形式，计算熵场 $ ho $ 的粒子产生率。
• 通过绘制粒子数密度随时间的演化，将数值结果与标准前加热进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在DBI暴胀模型中，扭曲因子的存在如何影响前加热期间标量场振荡的阻尼？
• RQ2 在DBI标量场涨落微扰动力学中，不稳定带在何种条件下出现？
• RQ3 与规范情形相比，非规范动能项在多大程度上增强了参数共振与粒子产生？
• RQ4 DBI模型与标准前加热模型中，共振参数 $ q_X $ 的演化有何不同？
• RQ5 标量场振荡振幅相对于扭曲因子截断参数的大小，对前加热效率有何影响？

主要发现

• 当标量场振荡振幅与红外截断参数量级相当或更大时，$ heta $ 涨落的微扰方程呈现为三阶广义希尔方程，导致共同的不稳定带。
• 数值解表明，当振荡振幅与截断参数相当或更大时，标量场涨落呈指数增长。
• 由于共振参数 $ q_X $ 下降更缓慢，熵场 $ ho $ 的粒子产生率在DBI模型中显著高于标准情形。
• 数值结果表明，DBI模型中的前加热过程比标准模型更高效，表现为粒子产生更快且更持久。
• 与规范情形相比，DBI情形下 $ q_X $ 的演化显著更缓慢，从而延长了参数共振的持续时间。
• 数值结果验证了参考文献 [37] 的半解析预测，并对非规范暴胀模型中增强的前加热提供了定量支持。