[论文解读] Recent Advances on Inflation

Sergei D. Odintsov, V. K. Oikonomou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 145被引用 6

一句话总结

本文综述了在修正引力框架下近期暴胀宇宙学的进展，重点关注弦论启发模型、Horndeski 和 Chern-Simons 引力，以及 f(R)、f(R,ϕ) 和动力学修正 f(R,ϕ) 理论。研究表明，这些模型能够实现可行的暴胀动力学，预测可观测的原初引力波，并统一描述宇宙早期和晚期的加速膨胀，关键结果将修正引力与可探测的 CMB B 模信号及随机引力波背景联系起来。

ABSTRACT

We review recent trends on inflationary dynamics in the context of viable modified gravity theories. After providing a general overview of the inflationary paradigm emphasizing on what problems of hot Big Bang theory inflation solves, and a somewhat introductory presentation of single field inflationary theories with minimal and non-minimal couplings, we review how inflation can be realized in terms of several string motivated models of inflation, which involve Gauss-Bonnet couplings of the scalar field, higher order derivatives of the scalar field, and some subclasses of viable Horndeski theories. We also present and analyze inflation in the context of Chern-Simons theories of gravity, including various subcases and generalizations of string corrected modified gravities which also contain Chern-Simons correction terms, with the scalar field being identified with the invisible axion, which is the most viable to date dark matter candidate. We also provide a detailed account of vacuum $f(R)$ gravity inflation, and also inflation in $f(R,ϕ)$ and kinetic-corrected $f(R,ϕ)$ theories of gravity. In the end of the review we discuss the technique for calculating the overall effect of modified gravity on the waveform of the standard general relativistic gravitational wave form.

研究动机与目标

• 系统分析修正引力理论（尤其是 f(R)、Horndeski 和 Chern-Simons 扩展）如何在最小标量场模型之外实现暴胀动力学。
• 评估这些模型在解决热大爆炸模型中视界、平坦性与磁单极子问题方面的可行性。
• 将原初引力波与标量扰动的理论预测与未来观测探针（如第四阶段 CMB 实验和 LISA）联系起来。
• 量化修正引力对宇宙历史中引力波波形的影响。

提出的方法

• 推导最小与非最小耦合标量场模型中单场暴胀的慢滚指数与功率谱。
• 应用高阶导数与 Gauss-Bonnet 耦合标量-张量理论的形式体系，构建可行的暴胀模型。
• 分析具有轴子样标量场的 Chern-Simons 引力，识别不可见轴子作为暗物质与暴胀子候选者。
• 研究真空 f(R) 引力及其爱因斯坦框架对偶，包括 f(R,ϕ) 与动力学修正 f(R,ϕ) 扩展。
• 构建统一框架，以单一有效修正项参数化修正引力对引力波传播的整体影响。
• 利用 CMB、GW170817 与 NANOGrav 的观测约束，检验模型可行性并预测多波段引力波特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在涉及标量场 Gauss-Bonnet 与高阶导数耦合的弦论启发模型中，暴胀如何实现？
• RQ2 当标量场被识别为不可见轴子时，Chern-Simons 引力的宇宙学含义是什么？
• RQ3 f(R)、f(R,ϕ) 与动力学修正 f(R,ϕ) 引力模型能否生成与 CMB 观测一致的近乎尺度不变的原初扰动功率谱？
• RQ4 修正引力如何改变标准广义相对论的引力波波形？其修正的有效参数是什么？
• RQ5 未来实验中，哪些多频段引力波特征可区分不同暴胀模型？

主要发现

• 本文确立了具有 Gauss-Bonnet 与高阶导数耦合的弦论启发模型可产生可行的暴胀动力学，并伴随可观测的原初引力波信号。
• 具有轴子样标量场的 Chern-Simons 引力提供了一个统一框架，使同一标量场可同时作为暴胀子与暗物质候选者，且与当前观测约束一致。
• 真空 f(R) 引力及其扩展在保持共形不变性时，可生成与 CMB 观测匹配的暴胀吸引子与功率谱。
• 引力波色散关系的有效修正由单一参数量化，该参数可通过 LISA 与爱因斯坦望远镜的多波段观测加以约束。
• 若 NANOGrav 的随机引力波背景起源于原初过程，则其频谱特征（平坦或频率依赖）可区分不同模型，倾向于特定的修正引力情景。
• 未来第四阶段 CMB 实验与 LISA 等干涉式引力波探测器有望通过探测 CMB B 模极化，为或反对其暴胀范式提供决定性证据。