[论文解读] Gravitational particle production of superheavy massive particles in Quintessential Inflation: A numerical analysis

Llibert Aresté Saló, Jaume de Haro|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用 7

一句话总结

本文通过数值研究了在两种五重子暴胀模型——洛伦兹型五重子暴胀（Lorentzian QI）和α吸引子五重子暴胀（α-attractors）中，从暴胀到动能主导阶段过渡期间，超重且共形耦合的粒子的引力粒子产生。尽管传统观点认为大质量会抑制粒子产生，但本研究发现长波长模式占主导，导致再加热温度超过10⁷ GeV，且避免了引力波过度产生，从而防止其破坏大爆炸核合成（BBN）。

ABSTRACT

We compute numerically the reheating temperature due to the gravitational production of conformally coupled superheavy particles during the phase transition from the end of inflation to the beginning of kination in two different Quintessential Inflation (QI) scenarios, namely Lorentzian Quintessential Inflation (LQI) and $\alpha$-attractors in the context of Quintessential Inflation ($\alpha$-QI). Once these superheavy particles have been created, they must decay into lighter ones to form a relativistic plasma, whose energy density will eventually dominate the one of the inflaton field in order to reheat after inflation our universe with a very high temperature, in both cases greater than $10^7$ GeV, contrary to the usual belief that heavy masses suppress the particle production and, thus, lead to an inefficient reheating temperature. Finally, we will show that the over-production of Gravitational Waves (GWs) during this phase transition, when one deals with our models, does not disturb the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) success.

研究动机与目标

• 研究在五重子暴胀模型中，从暴胀到动能主导阶段过渡期间，超重且共形耦合的粒子的引力粒子产生。
• 挑战传统观点，即大质量粒子会抑制再加热效率。
• 评估这些模型中引力波过度产生是否与大爆炸核合成（BBN）的成功相冲突。
• 验证在动能主导阶段开始后，使用β-Bogoliubov系数作为真实粒子能量密度的可靠代理是否成立，尽管存在极化效应。

提出的方法

• 在时变弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规中，对共形耦合标量场χ的克莱因-戈登方程进行傅里叶空间中的数值求解。
• 应用哈密顿量对角化方法，计算随时间变化的Bogoliubov系数βk(τ)，其编码了粒子产生信息。
• 利用动能主导阶段结束时的βk(τ)系数计算所产生粒子的能量密度，该方法合理，因为绝热演化抑制了极化效应。
• 实现两种平滑的五重子暴胀势：洛伦兹型五重子暴胀（LQI）和五重子暴胀中的α吸引子（α-QI），并在共形时间中进行数值积分。
• 在不同模型间比较结果，以评估再加热温度和引力波产生情况。
• 采用共形时间形式，并减去零点能，以确保能量密度为有限值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在平滑的五重子暴胀模型中，尽管粒子质量极大，引力粒子产生是否仍能导致高效的再加热？
• RQ2 在LQI和α-QI情形下，再加热温度是否能超过10⁷ GeV，从而与传统观点中大质量抑制再加热的预期相反？
• RQ3 在相变过程中引力波的产生在多大程度上影响这些模型中大爆炸核合成的成功？
• RQ4 在动能主导阶段开始后，由于极化效应被绝热抑制，动能主导阶段结束时的β-Bogoliubov系数是否可作为真实粒子能量密度的有效且充分的代理？

主要发现

• 在LQI和α-QI两种模型中，再加热温度均超过10⁷ GeV，表明尽管质量极大，超重粒子的产生仍极为高效。
• 效率主要源于长波长模式，其在粒子产生过程中占主导地位，超过紫外模式。
• 相变期间引力波的过度产生并未破坏大爆炸核合成，因为高再加热温度确保了任何过剩能量的充分稀释。
• 在动能主导阶段结束时计算的β-Bogoliubov系数能准确捕捉真实粒子的能量密度，因为极化效应在动能主导阶段开始后已绝热消失。
• 数值结果证实，基于解析紫外模式近似所形成的“大质量抑制再加热”标准信念，在此情境下是错误的。
• 本研究为分析平滑五重子暴胀模型中的粒子产生提供了一个稳健的数值框架，超越了玩具型不连续模型的局限。