[논문 리뷰] Revisiting Scalar Tensor inflation by swampland criteria and Reheating

Abolhassan Mohammadi, Tayeb Golanbari외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 27.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비최소 결합을 가진 스칼라-텐서 중력에서의 스 lowering 인플레이션을 조사하며, 플랑크 데이터와 스완플랜드 기준을 통해 제약 조건을 도출한다. 스완플랜드 조건이 타당한 매개변수 공간을 추가로 제약함을 발견하였으며, 재열기에서는 near-$-1/3$ 상태 방정식이 $ olimits10^{14}$ GeV의 재열 온도를 유도하며 소수의 e-폴드를 제공하는 반면, $ olimits1$인 경우 $ olimits10^7$ GeV의 온도를 유도하며 더 큰 팽창을 보인다.

ABSTRACT

The scenario of the slow-roll inflation is studied in the frame of the scalar-tensor theory of gravity where the scalar field has a non-minimal coupling to the geometric part. After deriving the main dynamical and perturbation equations, the model is investigated in detail for different functions of the potential and the coupling function. Considering the consistency of the model with observational model results into specific ranges for the free constants of the model. Then, the obtained ranges are reconsidered to realize whether they satisfy the swampland criteria. It is found that the swampland criteria impose another limitation and reduce the ranges. Using the final outcomes for the free constants of the model, we briefly consider the reheating phase to find out about the number of e-fold for the phase and the reheating temperature.

연구 동기 및 목표

• 곡률에 대한 비최소 결합을 가진 스칼라-텐서 중력에서의 스 lowering 인플레이션을 검토하기 위해.
• 플랑크 2018 관측 데이터의 $r-n_s$ 및 스칼라 진폭을 사용하여 모델 매개변수를 제약 조건에 둔다.
• 스완플랜드 기준—특히 디 시터 및 거리 추측—에 대한 모델 일관성을 시험하기 위해.
• 재열 단계를 분석하여 다양한 효과적 상태 방정식에 대해 e-폴드 수와 재열 온도를 추정하기 위해.
• 관측 데이터와 스완플랜드 제약 조건을 동시에 만족하는 공동 매개변수 공간을 식별하기 위해.

제안 방법

• 비최소 결합 $\xi\phi^2 R$를 포함한 스칼라-텐서 프레임워크에서의 운동 방정식과 편미분 방정식을 유도한다.
• 수축 시 편미분 매개변수를 사용하여 자유 상수를 관측 가능한 $n_s$ 및 $r$에 연결하고, 플랑크 데이터에 맞춘다.
• 스완플랜드 기준 적용: $|V'/V| > c_2 \sim 1$ (디 시터 추측) 및 $\Delta\phi < c_1 \sim 1$ (거리 추측)를 통해 매개변수 공간을 제약 조건에 둔다.
• 시간에 따른 $\dot{\phi}$, $\epsilon$, $V(\phi)$의 수치적 평가를 통해 스 lowering 일관성을 검증한다.
• 효과적 상태 방정식 $\omega$를 사용하여 재열을 모델링하고, $N_r = \int H dt$ 및 $T_r \propto H_{\text{reh}}^{1/2}$를 통해 $N_r$과 $T_r$를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플랑크 2018 관측 데이터의 스칼라 스펙트럼 기울이와 텐서 대 스칼라 비율에 대해 스칼라-텐서 인플레이션 모델의 어떤 매개변수 범위가 타당한가?
• RQ2 특히 디 시터 추측과 거리 추측을 포함한 스완플랜드 기준은 모델의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 추가로 제약 조건에 둔다?
• RQ3 인플레이션 기간 동안 스칼라 장, 잠재 에너지, 그리고 스 lowering 매개변수의 행동은 어떠하며, 이는 자율적으로 일관성이 있는가?
• RQ4 재열 기간 동안 효과적 상태 방정식 $\omega$의 어떤 값에서 e-폴드 수($N_r \sim 1-10$)가 물리적으로 타당한가?
• RQ5 다양한 $\omega$에 대해 예측되는 재열 온도는 무엇이며, 기존의 천체물리학적 기대와 비교해보면 어떻게 되는가?

주요 결과

• 스완플랜드 디 시터 추측($|V'/V| > c_2$)은 스 lowering 조건보다 더 강력한 제약 조건을 제공하며, 이로 인해 모델의 타당한 매개변수 공간이 감소한다.
• 첫 번째 케이스에서 $\omega \approx -1/3$는 $N_r \sim 1-10$을 유도하며, 재열 온도는 $ olimits10^{14}$ GeV이다.
• 두 번째 케이스에서 $\omega \approx 1$은 $N_r \sim 1-10$을 유도하며, 재열 온도는 $ olimits10^7$ GeV이다.
• 스칼라 장의 시간 도함수는 대부분의 경우 음수를 유지하며, 잠재 에너지가 부드럽게 감소함을 나타내어 일관된 스 lowering 진동을 보인다.
• 세 번째 케이스에서는 인플레이션의 끝부분에서 잠재 에너지가 증가함을 나타내어 비표준적 행동을 보이며, 이는 불안정성 또는 비최소 동역학을 시사할 수 있다.
• 최종적으로 타당한 매개변수 공간은 관측 제약 조건과 스완플랜드 기준의 교차 영역이며, 이는 양자 중력 추측과 천체물리학적 데이터 양쪽 모두와의 일관성을 보장한다.