[论文解读] The Primordial Black Hole Formation from Single-Field Inflation is Still Not Ruled Out

A. Riotto|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 44

一句话总结

本文为在单场膨胀中存在一段极慢滚动（USR）时 PBH 形成的可行性辩护，认为它并未被排除，取决于转变细节以及用于 PBH 丰度的正确变量。

ABSTRACT

In response to a recent criticism, appeared in arXiv:2303.00341, we argue that the standard scenario to form primordial black holes in the early universe based on a phase of ultra-slow-roll in single-field inflation is not ruled out.

研究动机与目标

• 激发关于单场膨胀中PBH形成的辩论并挑战其被排除的说法。
• 阐明循环修正和非高斯性如何依赖于从USR到慢滚的转变。
• 强调在PBH丰度计算中使用正确的扰动变量的重要性。
• 强调平滑转变和正确变量可降低循环修正。
• 就现实转变下PBH形成何时仍然可行提供指导。

提出的方法

• 分析USR期间存在的短尺度扰动对大尺度幂谱的循环修正。
• 若转变到慢滚不是突然的或是逐渐的，则挤压态三点函数被抑制。
• 改写耦合项以证明在转变期间非高斯性的抑制（I.3）并将其与慢滚参数联系起来。
• 论证正确的PBH丰度计算应使用平滑密度对比度 delta_m 而不是 zeta。
• 讨论使用 delta_m 对在给定 PBH 丰度下所需的短尺度幂谱幅值的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 单场膨胀中的USR阶段是否不可避免地因循环修正而排除PBH形成？
• RQ2 从USR到慢滚的转变性质如何影响非高斯性以及由此产生的PBH丰度？
• RQ3 用于计算PBH丰度的正确变量是什么，以及它的使用如何影响对短尺度幂谱的约束？
• RQ4 在转变过程中的慢滚参数如何影响挤压三点函数和循环修正？

主要发现

• 若从USR到慢滚的转变是平滑或渐进的，则对大尺度谱的循环修正并不普遍地很大。
• 在转变期间，造成强非高斯性的挤压三点谱可以被慢滚参数所抑制。
• 使用正确的PBH丰度变量delta_m可在给定PBH丰度的情况下降低所需的短尺度幂谱幅值。
• 即便在USR期间eta很大，当转向慢滚时相关非高斯贡献也会被抑制。
• 使用delta_m时，为PBH形成所需的P_zeta(k_S)可以远小于先前的说法，从而缓解循环修正的问题。