[論文レビュー] Warm Quasi-Single Field Inflation

Xi Tong, Yi Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 64被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、有限温度の熱浴における熱的効果が、質量が H よりもはるかに大きな重いスカラー場（m ≫ H）からの初期宇宙時計信号を強化する、温かい準単一場インフレーション（warm quasi-single field inflation）を提案する。標準的なボルツマン抑制（Boltzmann suppression）を克服する。小スケールの物理を平坦時空における熱場理論でモデル化し、大スケールの非Bunch-Davies真空に一致させることで、超ハubble スケールの質量を持つ場に対しても、大きな観測可能な時計信号を生成する枠組みが得られる。

ABSTRACT

We study quasi-single field inflation with a warm inflation background. The thermal effects at small scales can sufficiently enhance the magnitude of the primordial standard clock signal. This scenario offers us the possibility of probing the UV physics of the very early universe without the exponentially small Boltzmann factor when the mass of the isocurvaton is much heavier than Hubble. The thermal effects at small scales can be studied using the flat space thermal field theory, connected to an effective description using non-Bunch-Davies vacuum at large scales, with large clock signal.

研究の動機と目的

• 質量が H よりもはるかに大きな場（m ≫ H）の検出という、標準的準単一場インフレーションにおける課題に対処すること。この場合、ボルツマン因子による指数的抑制が生じる。
• 温かいインフレーション背景における熱的効果が、重い等曲率場（isocurvaton fields）からの初期宇宙時計信号を強化できるかどうかを調査すること。
• 小スケールにおける平坦時空熱場理論と大スケールにおける有効な de Sitter 動力学との間の接続を、非Bunch-Davies真空を介して確立すること。
• 高質量場に対しても、大きな観測可能な時計信号が得られるかどうかを示すこと。

提案手法

• インフレーション場の崩壊が熱浴を生成するため、小スケールの物理を平坦時空における有限温度場理論でモデル化する。
• 次元5の演算子 $\mathcal{O}_5 = -\frac{1}{2\Lambda_0}(\partial\phi)^2\sigma$ を介して有効相互作用を導入し、ラグランジアンに $L_2$ および $L_3$ の2つの相互作用項を導入する。
• in-in 形式を用いて3点関数および4点関数を計算し、熱的および de Sitter の両領域からの寄与を追跡する。
• 波数と時空の時間的スケールの積 $k\tau = z_\Lambda$ における時間分割法を用い、UV熱的領域（$k\tau > z\Lambda$）とIR de Sitter 領域（$k\tau < z\Lambda$）に分離する。IR領域では有効質量のずれ $\Delta m^2$ を導入する。
• 散乱率 $r$ についての摂動展開の各次数を順次計算し、時計信号を生成する主要寄与を特定する。
• 非Bunch-Davies真空モードを用いて、熱的UV振る舞いを大スケールでの標準的準単一場インフレーション枠組みに一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温かいインフレーションにおける熱的効果は、$m \gg H$ を満たす質量の大きな場からの初期宇宙時計信号を強化できるか？
• RQ2 温かい状況における干渉メカニズムは、標準的な冷たい準単一場インフレーションと比較して、コherency と信号強度の点でどのように異なるか？
• RQ3 UV領域における平坦時空熱場理論の記述が、IR領域における de Sitter 動力学に一貫して一致できる範囲はどの程度か？
• RQ4 散乱率 $r$ および有効質量のずれ $\Delta m^2$ が、大きな時計信号を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ5 熱的状態の典型的な統計的平均化の影響を受けても、時計信号は生存可能か？その条件は何か？

主な発見

• 温かいインフレーション状況における熱的効果が、質量の大きな場からの初期宇宙時計信号を強化し、標準的な $\exp(-\pi\mu)$ の抑制を克服する。
• 時計信号の主な寄与は、熱的領域から de Sitter 領域への遷移中に生成された粒子の自己干渉に起因する。熱的非一様性による寄与ではない。
• 3点関数および4点関数は、 squeezed 限界において振動的特徴を示し、正負の周波数モード間の干渉が時計信号を生成する。
• 関数の一次近似においては $\mu$ が大きい極限で抑制が生じるが、小スケールにおける熱的強化が相殺され、大スケールで大きな信号が得られる。
• 大スケールにおける非Bunch-Davies真空を用いた有効記述は、UV領域における熱的物理によって生成された強化された時計信号をうまく捉えている。
• 本フレームワークは、指数的になくならないボルツマン因子を必要とせず、UV物理学（例えば、ストリングモードや高エネルギースケールの素粒子物理学）を探索するための実用的なメカニズムを提供する。