[論文レビュー] Preheating the universe in hybrid inflation

J. García-Bellido|ArXiv.org|Apr 1, 1998

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本稿はハイブリッドインフレーションにおける予熱過程を調査し、インフレートン場の非摂動的・位相的に整合した崩壊が、大きな占有数を持つボソン粒子へと進行することに注目している。ハイブリッドインフレーションにおける予熱とキャノニカルインフレーションを比較し、ハイブリッドモデルに存在するタキオン的不安定性が、急速な粒子生成と放射時代へのエネルギー効率的転送を引き起こす動的差異を強調している。

ABSTRACT

One of the fundamental problems of modern cosmology is to explain the origin of all the matter and radiation in the Universe today. The inflationary model predicts that the oscillations of the scalar field at the end of inflation will convert the coherent energy density of the inflaton into a large number of particles, responsible for the present entropy of the Universe. The transition from the inflationary era to the radiation era was originally called reheating, and we now understand that it may consist of three different stages: preheating, in which the homogeneous inflaton field decays coherently into bosonic waves (scalars and/or vectors) with large occupation numbers; backreaction and rescattering, in which different energy bands get mixed; and finally decoherence and thermalization, in which those waves break up into particles that thermalize and acquire a black body spectrum at a certain temperature. These three stages are non-perturbative, non-linear and out of equilibrium, and we are just beginning to understand them. In this talk I will concentrate on the preheating part, putting emphasis on the differences between preheating in chaotic and in hybrid inflation.

研究の動機と目的

• ハイブリッドインフレーションモデルにおける予熱の非摂動的過程を理解すること。
• インフレーション終了直後に急速な粒子生成を引き起こすタキオン的不安定性の役割を明確にすること。
• ハイブリッドインフレーションとキャノニカルインフレーションにおける予熱の効率性とダイナミクスを比較すること。
• 位相的に整合したインフレートン振動がスカラーおよびベクトルモードにおける大きな占有数の生成にどのように寄与するかを分析すること。
• インフレーション後の宇宙におけるバックレアクション、散乱、熱化の次の段階の基盤を確立すること。

提案手法

• インフレーションの有効ポテンシャルを分析し、インフレートン場が臨界点を通過した際にタキオン的不安定性が生じることを特定する。
• 膨張宇宙背景におけるインフレートンおよび結合スカラー場の運動方程式を解き、パラメトリック共鳴と爆発的粒子生成に注目する。
• 大N極限における線形化量子場理論を用いて、モード関数と占有数の増大をモデル化する。
• WKB近似とモード関数解析を用いて、運動量空間における不安定性帯の発生と成長を研究する。
• ハイブリッドインフレーションにおける不安定モードの成長率と最終的な粒子生成量を、キャノニカルインフレーションモデルと比較する。
• 予熱段階が初期宇宙におけるその後の熱化とエントロピー生成に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドインフレーションにおけるタキオン的不安定性は、キャノニカルインフレーションと比較して、どのように迅速かつ効率的な予熱をもたらすか？
• RQ2 予熱段階におけるハイブリッドインフレーションとキャノニカルインフレーションモデルの間で、粒子生成のダイナミクスにどのような主要な差異が生じるか？
• RQ3 ハイブリッドインフレーションの予熱段階において、スカラーおよびベクトルモードの占有数はどのように変化するか？
• RQ4 非線形的かつ非平衡的進化は、位相的に整合したインフレートン振動から熱放射への移行にどのように寄与するか？
• RQ5 初期のインフレートン場のエネルギー密度は、ハイブリッドモデルにおいてどのように予熱を通じて放射に変換されるか？

主な発見

• ハイブリッドインフレーションにおける予熱は、指数関数的に成長するモードと急速な粒子生成を引き起こすタキオン的不安定性によって支配されている。
• 臨界点における急激なポテンシャル障壁と負の質量平方項のおかげで、ハイブリッドインフレーションにおける不安定モードの成長率は、キャノニカルインフレーションよりも顕著に高い。
• スカラーおよびベクトルモードに大きな占有数が生成されており、予熱段階における粒子の位相的整合的生成を示している。
• このプロセスは非摂動的かつ非平衡的であり、エネルギー転送がハッブル時間よりもはるかに短いスケールで進行する。
• 結果から、小さな結合定数でさえも、ハイブリッドインフレーションが予熱を通じて放射支配時代を効率的に形成できることを示唆している。
• 本研究は、ハイブリッドモデルにおける予熱が、エントロピー生成のための強固で迅速なメカニズムであることを確立しており、熱化の段階への基盤を築いている。