[論文レビュー] Reheating and Preheating after Inflation

Lev Kofman|ArXiv.org|Feb 10, 1998

Neonatal Respiratory Health Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、宇宙インフレーションに続く非摂動的粒子生成メカニズム——特にプリヒーティング——を、自己相互作用するインフレートン場（$\phi$）とスカラー場（$\chi$）が結合するモデルを用いて調査する。パラメトリック共鳴が、多様なパrameter領域において、効率的かつコherentな粒子生成を駆動することを示し、正則的および確率的共鳴の挙動を統合する解析的解が得られることを明らかにする。

ABSTRACT

It is assumed that during inflation, all energy was contained in a slow-rolling inflaton field $ϕ$. The particles constituting the Universe are created due to interactions with the field $ϕ$ coherently oscillating after inflation. The leading channel of the particle production would be the non-perturbative regime of parametric resonance, preheating. Some of the recent developments in the theory of preheating are briefly reviewed. As a prototype we use the model ${λ\over 4}ϕ^4 + {m^2 \over 2}ϕ^2+ {g^2\over 2}ϕ^2χ^2$ in an expanding universe. In different domains of parameters the character of preheating $(ϕ o χ)$ or $(ϕ o δϕ)$ is different, ranging from regular Lamé to stochastic parametric resonances. Fortunately, in many important cases simple analytic resonant solutions are found. Eventually, a picture which unifies the different regimes emerges.

研究の動機と目的

• インフレーション後の粒子生成のダイナミクスを理解すること、特に非摂動的メカニズムを通じての生成を対象とする。
• インフレートン凝縮の崩壊におけるパラメトリック共鳴の役割を分析すること。
• モデルパラメータに基づいて、正則的ラメ型から確率的共鳴に至るまでのプリヒーティングの異なる領域を同定および分類すること。
• 膨張時空における共鳴的粒子生成の解析的解を導出すること。
• 現実的なインフレーションモデルに適用可能な一貫した理論的枠組みに、散在するプリヒーティングの挙動を統合すること。

提案手法

• 膨張宇宙におけるスカラー場モデルを用い、$\mathcal{L} = \frac{1}{2}(\partial_\mu\phi)^2 - \frac{1}{2}m^2\phi^2 - \frac{\lambda}{4}\phi^4 - \frac{g^2}{2}\phi^2\chi^2$ を使用する。
• インフレーション後に生じる$\phi$のコherentな振動に起因する$\chi$場の時間依存質量を分析し、パラメトリック共鳴を導く。
• $\phi$の振動場の背景において$\chi$の線形化運動方程式を適用し、得られるマチエ型方程式を解く。
• フロケ理論を用いて共鳴モードを同定し、パrameter領域に応じて解を正則的（ラメ型）または確率的と分類する。
• 異なるパrameter領域における粒子モードの増幅率の解析的表現を導出する。
• 宇宙の膨張が共鳴条件および粒子生成効率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 インフレーション後の粒子生成の主なメカニズムは何か？ そして摂動的崩壊とはどのように異なるか？
• RQ2 $\phi \to \chi$チャネルにおけるパラメトリック共鳴は、初期宇宙における非摂動的かつ非熱的粒子生成をどのように効率的に行うか？
• RQ3 プリヒーティング過程において、正則的ラメ共鳴と確率的共鳴の間の遷移は、何によって決定されるか？
• RQ4 振動するインフレートン場の存在下で、量子モードの増幅に対する解析的解を導出可能か？
• RQ5 $\phi^2\chi^2$結合と自己相互作用の異なるパrameter領域にわたるプリヒーティングのダイナミクスは、どのように統合されるか？

主な発見

• パラメトリック共鳴によるプリヒーティングは、インフレーション後の粒子生成の支配的メカニズムであり、摂動的崩壊を著しく上回る。
• 多くのパrameter領域において、特に弱結合および大質量極限において、$\chi$場モードの共鳴的増幅に対する解析的解が得られる。
• 結合定数および場の振幅の変化に伴い、正則的ラメ型共鳴から確率的共鳴への遷移が観測される。
• モデルのダイナミクスは、異なる増幅率およびモード構造を特徴とする異なる領域を示し、散在するプリヒーティング挙動を一つの一貫した図式に統合する。
• 強いパラメトリック共鳴領域では、$\chi$モード振幅の増幅が指数関数的になるため、粒子生成の効率が最大に達する。
• 宇宙の膨張は共鳴条件を変更するが、支配的非摂動的粒子生成を抑制しない。これにより、迅速な再熱が保証される。