[論文レビュー] Scalar runnings and a test of slow roll from CMB distortions

Brian A. Powell|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、将来のPIXIEに類似したCMB $μ$-歪み測定が、$\mu_0 > 7.75 \times 10^{-8}$ の場合、スカラースペクトルインデックスのランニングのランニング（$\beta = d\alpha/d\ln k$）を $\beta \gtrsim 0.015$ の有意水準で検出可能であることを示している。このような検出は、単一場のスローロールインフレーションと強く矛盾し、非スローロールダイナミクスまたは多場インフレーションを示唆する。

ABSTRACT

A future measurement of cosmic microwave μ-distortions by an experiment with the specifications of PIXIE will provide an equivalent 3-sigma detection of the running of running of the spectral index of scalar perturbations, β= dα/dln(k), if μ> 7.75 E-8, covering much of the PIXIE sensitivity range. This corresponds to a resolution limit of β> 0.015 which is relatively large given any presumption of slow roll, a result of the current tight constraints on α< 0 on CMB scales. We show that a detection of βat this level is in conflict with slow roll conditions if the primordial signal can be distinguished from any post-inflationary contamination.

研究の動機と目的

• 将来のCMB $μ$-歪み測定が、スカラースペクトルインデックスのランニングのランニング（$\beta$）を検出可能かどうかを評価すること。
• 統計的に有意な $\beta$ の検出に必要な初期状態の $μ$-歪みの振幅（$\mu_0$）を特定すること。
• フローモデル分析を用いて、検出された $\beta \gtrsim 0.015$ が単一場スローロールインフレーションと整合するかを評価すること。
• スローロール展開における高次項がインフレーションダイナミクスおよび観測量に与える影響を検討すること。

提案手法

• ベイズモデル比較を用い、MCMCを用いて $\beta$ を含むモデルと含まないモデル間のベイズ因子を計算した。
• 高次ランニング、特に $\beta$ に依存する $μ$-歪み信号を、初期スペクトルの高次ランニング関数としてモデル化した。
• 3$\sigma$ 意味のある $\beta$ の検出に必要な $\mu_0$ を計算し、$\mu_0 > 7.75 \times 10^{-8}$ が必要であると判明した。
• スローロール展開を $M=3$ および $M=4$ で切り捨て、インフレーションダイナミクスの高次補正を評価するためのフローモデル分析を実施した。
• 大きな $\beta$ を持つ妥当なモデルを可能にするために、4次スローロールパラメータ ${}^{4}\lambda_H$ の役割を評価した。
• 現在のデータとの比較とPIXIE感度による改善の予測を用いて、$\beta$ に対する制約を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PIXIEがスカラースペクトルインデックスのランニングのランニング（$\beta$）を検出可能とするために、初期状態の $μ$-歪み振幅（$\mu_0$）はどの程度必要か？
• RQ2 $\beta \gtrsim 0.015$ の検出が、単一場スローロールインフレーションの仮定とどのように矛盾するか？
• RQ3 スローロール展開における次に高い項、特に ${}^{4}\lambda_H$ が、大きな $\beta$ を持つモデルを可能にする役割は何か？
• RQ4 CMB $μ$-歪みを用いて、初期スペクトルの高次ランニングを制約可能か？また、現在の限界値をどのように改善するか？

主な発見

• $\beta \gtrsim 0.015$ の検出は、初期状態の $μ$-歪み振幅が $\mu_0 > 7.75 \times 10^{-8}$ を超える場合、3$\sigma$ 意味のある検出に相当する。この値はPIXIEの感度範囲内にある。
• 最良の適合検出振幅は $\beta \approx 0.015$ に対応し、これは標準的なスローロール仮定よりも顕著に大きな値である。
• PIXIEによる $\beta$ に対する制約は、現在の観測限界値よりも約5倍改善される。
• $\beta \gtrsim 0.015$ を持つモデルは、4次スローロールパラメータ ${}^{4}\lambda_H$ の導入を必要とし、標準的なスローロール近似では小さな補正であるが、インフレーションダイナミクスに強く影響を与える。
• $M=4$ 截断時、スローロールパラメータの大きさがほぼ同等である必要があり、標準的なスローロールインフレーションで想定される補正の階層構造に反する。
• $\beta \gtrsim 0.015$ の検出は、単一場スローロールインフレーションと強く矛盾し、非スローロールダイナミクスまたは多場インフレーションを示唆する。