[论文解读] The unity of dark matter and dark energy in a curvaton scenario

Lei-Hua Liu, Wu-Long Xu|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出了一种在混沌暴胀模型预热阶段的曲率子机制，其中曲率子的有效质量通过耦合和次级指数势能动态演化。该研究通过解析方法表明，曲率功率谱 $P_\zeta$ 和非高斯性参数 $f_{NL}$ 与暴胀场势能无关，且曲率子衰变后残留的指数势能自然贡献一个类似宇宙学常数的项，从而统一了暗物质与暗能量。

ABSTRACT

Inspired by \cite{Jiang:2018uce}, we propose a similar curvaton mechanism whose realization occurs in preheating process, in which the effective mass is running (its potential consists of coupling part and exponential part whose contribution is subdominant comparing to the coupling part). The production of curvaton contains the cases of narrow resonance and broad resonances whose criteria comes via the spectral index of curvaton. Since the inflationary potential is chaotic inflation (quadratic potential), it could smoothly transit into the preheating process. Once the entropy perturbation transferred into curvature perturbation, we will use $\delta N$ formalism to investigate its validity. By neglecting the contribution of exponential potential of curvaton, we calculate power spectrum $P_\zeta$ and non linear Non-Gaussian parameter $f_{NL}$. Our calculation analytically shows that these two observables are independent of potential of inflaton. Finally, as the curvaton almost decay (inflaton field vanishes), the exponential potential will be approaching a constant of order of cosmological constant, which may play a role of dark energy.

研究动机与目标

• 在预热阶段的单一曲率子框架内统一暗物质与暗能量。
• 研究熵扰动如何通过 $\delta N$ 形式化方法转化为曲率扰动。
• 确定曲率功率谱 $P_\zeta$ 与非高斯性 $f_{NL}$ 是否依赖于暴胀场势能。
• 探讨曲率子的次级指数势能在其衰变后对生成类似宇宙学常数贡献的作用。

提出的方法

• 采用由主导耦合项和次级指数项组成的曲率子势能，其有效质量在预热阶段动态演化。
• 将预热过程建模为从二次势能的混沌暴胀到共振粒子产生的转变，涵盖窄共振与宽共振两种区域。
• 应用 $\delta N$ 形式化方法，将预热阶段的熵扰动映射为曲率扰动。
• 在计算 $P_\zeta$ 与 $f_{NL}$ 时忽略指数势能的贡献，以隔离主导的耦合驱动动力学。
• 使用解析技术推导 $P_\zeta$ 与 $f_{NL}$，证明其与暴胀场势能无关。
• 评估曲率子衰变后残留的指数势能，估算其作为常数项的贡献，与观测到的宇宙学常数相当。

实验结果

研究问题

• RQ1 在预热阶段的曲率子机制是否能自然地同时产生观测到的曲率扰动与类似宇宙学常数的项？
• RQ2 在此情景下，$P_\zeta$ 与 $f_{NL}$ 在多大程度上依赖于暴胀场势能的具体形式？
• RQ3 曲率子在预热阶段有效质量的演化如何影响原初扰动的生成？
• RQ4 曲率子势能的次级指数部分在曲率子衰变后，是否足以解释暗能量？
• RQ5 $\delta N$ 形式化方法是否适用于描述具有动态曲率子质量的预热阶段中曲率扰动的生成？

主要发现

• 曲率功率谱 $P_\zeta$ 与暴胀场势能无关，仅取决于曲率子的耦合常数与预热动力学。
• 非高斯性参数 $f_{NL}$ 同样与暴胀场势能无关，完全由曲率子的耦合驱动演化产生。
• 曲率子的谱指数决定了发生窄共振或宽共振，从而影响扰动生成的效率。
• 曲率子衰变后，残留的指数势能贡献了一个与观测到的宇宙学常数相当的恒定能量密度。
• $\delta N$ 形式化方法成功描述了在预热背景下熵扰动向曲率扰动的转移。
• 预热阶段的曲率子机制为暗物质（通过曲率子衰变产物）与暗能量（通过残留势能）提供了统一的起源。