[论文解读] Vector field instability and the primordial tensor spectrum

Stefan Eccles, Willy Fischler+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文研究了在暴胀之前由一个经典矢量场背景（与赝标量场通过陈-西蒙斯项耦合）所生成的、在暴胀之前存在的经典矢量场背景，是否可以通过半经典修正在原初张量谱上留下可观测的印记。研究发现，只有当该经典矢量场在动量空间中的分布以高动量为主（p ≳ 3000H）且振幅超过量子涨落时，此类效应才可能发生，尽管尚未构建出能够生成此类场的可行机制。

ABSTRACT

It has recently been shown that the presence of a spectator pseudoscalar field, coupled to photons through a Chern-Simons term, can amplify the primordial tensor spectrum without observationally disrupting the primordial scalar spectrum. The amplification occurs due to an instability that develops for the vector fields. We consider the extension of previous studies to account for the contribution arising from an inhomogeneous vector background which is generated prior to the onset of inflation. We find that there may be contributions in which net momentum is transferred between the inhomogeneous vector background and the gravitons, which would give rise to a signature different than in the absence of the semiclassical corrections. We discuss the properties the classical vector field form must have in order for these signatures to leave observable imprints, though we were unable to construct a model for generating such a vector field.

研究动机与目标

• 评估暴胀前的原初张量功率谱是否可能留下经典矢量场背景的可观测印记。
• 确定为使此类印记可探测，经典矢量场所需满足的功能形式。
• 评估该矢量场的能量密度与动量分布是否能在满足反作用力约束的同时仍能放大张量模式。
• 探讨在暴胀之前通过物理机制生成此类经典矢量场构型的可行性。

提出的方法

• 分析赝标量场与电磁场之间通过陈-西蒙斯耦合导致的 de Sitter 空间中矢量场的不稳定性。
• 推导在均匀赝标量场缓慢滚动条件下矢量场模的运动方程。
• 评估经典非均匀矢量背景对引力子两点函数的半经典贡献。
• 应用反作用力约束以限制经典矢量场的能量密度，要求 ρ_A ≪ ½ ̇χ² ≪ εH²M_P²。
• 将经典电场振幅与量子涨落进行比较，要求在 p ≳ 3000H 时满足 F_classical ≫ F_quantum。
• 评估在暴胀前阶段经典与量子矢量场分量的红移行为，重点关注可观测尺度的模。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有非均匀动量结构的暴胀前经典矢量场背景是否可能在原初张量谱上留下可观测印记？
• RQ2 为使对张量两点函数的半经典修正可探测，经典矢量场在动量空间中的分布必须满足哪些特定性质？
• RQ3 是否能够构建一个物理机制，以生成具有足够振幅和高动量主导性（p ≳ 3000H）的经典矢量场，使其超过量子涨落？
• RQ4 反作用力约束如何限制经典矢量场的能量密度与空间非均匀性，同时仍保持赝标量场的慢滚演化？
• RQ5 向暴胀的过渡如何影响经典矢量场模的红移？可观测尺度的模是否仍能保持在视界内并具有足够振幅？

主要发现

• 可观测的半经典效应要求经典矢量场背景在动量分布上以 p ≳ 3000H 为中心，且振幅超过量子涨落（F_classical ≫ F_quantum）。
• 反作用力约束 ρ_A ≪ ½ ̇χ² ≪ εH²M_P² 限制了经典矢量场的总能量密度，使得多个模的显著激发变得不太可能。
• 最乐观的情形下，仅有少数高动量模（p ≳ 3000H）能被激发，其余模均被红移至可观测相关性以下。
• 为留下可探测的印记，经典矢量场的电场与磁场分量必须在高动量区域被调制以主导量子涨落。
• 尽管理论上可观测印记是可能的，但尚未找到能够生成具有所需特性的经典矢量场构型的可行机制。
• 向暴胀的过渡会红移经典与量子矢量场分量，但为留下可测量效应，经典场在高动量区域仍必须占主导地位。