[论文解读] Simple Inflationary Models in Light of BICEP2: an Update

Nobuchika Okada, V. N. Şenoğuz+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 59被引用 30

一句话总结

本文在标准模型单态标量 inflaton 的框架下，更新了五个暴胀模型，引入了费米子和玻色子耦合、希格斯/科尔曼-温伯格势以及非最小引力耦合。结果表明，当 n_s ≈ 0.96 时，张量标量比 r 与 BICEP2 测得的 r = 0.20+0.07-0.05 相容，且 |dn_s/dlnk| 的预测值在 10^-4 至 10^-3 之间。

ABSTRACT

The BICEP2 (CMB polarimeter) experiment has recently announced the discovery of inflationary gravitational waves in the B-mode power spectrum, with the tensor to scalar ratio r = 0.20+0.07-0.05. If confirmed, this provides a tremendous boost for a class of inflationary models in which the energy scale during inflation is on the order of 10^16 GeV. Inspired by this discovery, we provide an update on five relatively well motivated inflationary models in which the inflaton is a Standard Model singlet scalar field. These include i) the textbook quadratic and quartic potential models but with additional couplings of the inflaton to fermions and bosons, which enable reheating and also modify the naive predictions for the scalar spectral index n_s and r, ii) models with Higgs and Coleman-Weinberg potentials, and finally iii) a quartic potential model with non-minimal coupling of the inflaton to gravity. For n_s values close to 0.96, as determined by the WMAP9 and Planck experiments, the all-important parameter r in these models is nicely compatible with the BICEP2 measurements. The running of the scalar spectral index, quantified by |dn_s/dlnk|, is predicted in these models to be of order 10^-4-10^-3.

研究动机与目标

• 在 BICEP2 报告的 r = 0.20+0.07-0.05 的背景下，重新评估具有单态标量 inflaton 的物理上合理的暴胀模型。
• 评估额外的费米子和玻色子耦合对 n_s 和 r 预测的影响。
• 检验希格斯势、科尔曼-温伯格势以及非最小耦合四次方势模型与 BICEP2 和 Planck 数据的一致性。
• 量化这些模型中标量谱指数运行的预测值 |dn_s/dlnk|。
• 确定在 WMAP9 和 Planck 更新的观测约束下，这些模型是否仍然可行。

提出的方法

• 分析教科书中的二次和四次方势模型，引入 inflaton 与费米子和玻色子的耦合，以实现再加热并修改谱预测。
• 将希格斯势和科尔曼-温伯格势形式应用于 inflaton sector，评估其宇宙学一致性。
• 考虑一个具有与引力非最小耦合的四次方势模型，通过曲率相互作用修改有效势。
• 使用慢滚近似计算标量谱指数 n_s 和张量标量比 r 的预测值。
• 将模型输出与 WMAP9 和 Planck 数据对比，针对 n_s ≈ 0.96 和 BICEP2 的 r 测量结果。
• 利用慢滚参数和势能导数评估标量谱指数运行 |dn_s/dlnk|。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含费米子和玻色子耦合的情况下，具有单态标量 inflaton 的标准暴胀模型是否仍能与 BICEP2 的 r = 0.20+0.07-0.05 保持一致？
• RQ2 在当前 CMB 数据背景下，希格斯势和科尔曼-温伯格势如何影响 n_s 和 r 的预测？
• RQ3 与引力的非最小耦合对四次方势模型的可行性施加了何种约束？
• RQ4 在这些更新后的模型中，标量谱指数运行的预测量 |dn_s/dlnk| 是多大？
• RQ5 在 WMAP9 和 Planck 给出的 n_s ≈ 0.96 值下，这些模型是否仍然可行？

主要发现

• 当 n_s ≈ 0.96 时，所有五个模型中的张量标量比 r 均与 BICEP2 报告的 r = 0.20+0.07-0.05 相容。
• 引入 inflaton 与费米子和玻色子的耦合会改变 n_s 和 r 的原始预测，从而更好地与观测结果一致。
• 当 inflaton 为单态标量时，希格斯势和科尔曼-温伯格势模型在当前数据约束下仍具可行性。
• 非最小耦合四次方势模型在 n_s ≈ 0.96 时也给出与 BICEP2 相容的 r 值。
• 这些模型中，标量谱指数运行 |dn_s/dlnk| 的预测值范围为 10^-4 至 10^-3。
• 这些模型共同表明，能量尺度接近 10^16 GeV 的高能暴胀仍是解释 BICEP2 B 模信号的可行方案。