[论文解读] Analog reheating of the early universe in the laboratory

Aleksandr Chatrchyan, Kevin T. Geier+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 6

一句话总结

本文提出利用超冷玻色气体实现宇宙再热化过程的量子模拟，其中暴胀场被映射为玻色-爱因斯坦凝聚态，其衰变为粒子的过程通过可调制的原子相互作用进行模拟。该实验可实现的装置能够捕捉非热固定点、自相似动力学及参量不稳定性，从而在弱耦合极限之外研究早期宇宙中远离平衡的量子场动力学。

ABSTRACT

Cosmic reheating describes the transition of the post-inflationary universe to a hot and thermal state. In order to shed light on the nature of this process, we propose a quantum simulation of cosmic reheating in an ultracold Bose gas. In our model, the inflaton field dynamics is mapped onto that of an atomic Bose-Einstein condensate whose excitations are identified with the particles produced by the decaying inflaton field. The expansion of the universe as well as the oscillations of the inflaton field are encoded in the time-dependence of the atomic interactions, which can be tuned experimentally via Feshbach resonances. As we illustrate by means of classical-statistical simulations for the case of two spatial dimensions, the dynamics of the atomic system exhibits the characteristic stages of far-from-equilibrium reheating, including the amplification of fluctuations via parametric instabilities and the subsequent turbulent transport of energy towards higher momenta. The transport is governed by a non-thermal fixed point showing universal self-similar time evolution as well as a transient regime of prescaling with time-dependent scaling exponents. While the classical- statistical simulations can only capture the earlier stages of the dynamics for weak couplings, the
 proposed experimental implementation provides a protocol for the quantum simulation of the entire evolution even beyond the weak coupling regime.

研究动机与目标

• 研究宇宙再热化过程中的非平衡量子动力学，这是早期宇宙演化中的关键阶段。
• 通过提出一种可访问强耦合区域的量子模拟平台，克服弱耦合模拟的局限性。
• 将暴胀场的动力学映射到玻色-爱因斯坦凝聚态中的原子自由度，以实现实验可实现性。
• 在受控的实验室环境中模拟再热化的完整演化过程，包括参量不稳定性与湍流能量输运。
• 在量子模拟器中识别出通用标度行为，如非热固定点和瞬态预标度行为。

提出的方法

• 将暴胀场映射为超冷原子气体中玻色-爱因斯坦凝聚态的序参量。
• 通过费什巴赫共振调节时间依赖的原子相互作用，编码宇宙膨胀与暴胀场振荡。
• 利用经典统计模拟在二维空间中建模弱耦合区域的动力学。
• 设计一种实验方案，将模拟扩展至经典模拟失效的强耦合区域。
• 在模拟的粒子产生与能量分布中识别非热固定点与自相似时间演化特征。
• 利用原子相互作用的可调性，模拟暴胀场衰变过程中时变势能与耦合强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在受控的超冷原子系统中模拟宇宙再热化动力学，包括参量放大与湍流能量输运？
• RQ2 在模拟系统中，暴胀场远离平衡演化过程中会涌现出何种通用标度行为？
• RQ3 非热固定点与瞬态预标度区域在早期宇宙动力学的量子模拟中如何表现？
• RQ4 实验中对原子相互作用的调节在多大程度上可将模拟范围扩展至弱耦合区域之外？
• RQ5 在产生粒子的能量分布中，自相似时间演化具有何种特征？

主要发现

• 模拟的原子系统表现出参量不稳定性，导致量子涨落被放大，模拟了早期宇宙中的粒子产生过程。
• 能量通过湍流动力学向更高动量输运，与非热固定点行为一致。
• 系统表现出非热固定点特征的自相似时间演化，表明在远离平衡区域存在通用标度行为。
• 在自相似性出现之前，观察到具有时变标度指数的瞬态预标度区域。
• 经典统计模拟可捕捉再热化的早期阶段，但在强耦合区域失效；所提出的实验克服了这一局限。
• 实验装置能够模拟整个再热化过程，包括经典模拟无法访问的强耦合效应。