[论文解读] Helical Inflation and Cosmic Strings

S.-H. Henry Tye, Sam S. C. Wong|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用 18

一句话总结

该论文在弦理论框架下提出了一种双轴子螺旋暴胀模型，由于轴子势的周期性，其张量标量比（r）略低于混沌暴胀。该模型通过参数𝛴̂ = r + 4(ns − 1)量化了这一偏差，表明𝛴̂ ≈ −0.03为负值是可能的，为轴子暴胀提供了独特的观测特征。该模型还允许宇宙弦张力高于7×10⁻⁹，这些宇宙弦可能对B模式CMB偏振有贡献，并可通过改进的数据实现探测。

ABSTRACT

Recent BICEP2 detection of low-multipole B-mode polarization anisotropy in the cosmic microwave background radiation supports the inflationary universe scenario and suggests a large inflaton field range. The latter feature can be achieved with axion fields in the framework of string theory. We present such a helical model which naturally becomes a model with a single cosine potential, and which in turn reduces to the (quadratic) chaotic inflation model in the super-Planckian limit. The slightly smaller tensor/scalar ratio $r$ of models of this type provides a signature of the periodic nature of an axion potential. We present a simple way to quantify this distinctive feature. As axions are intimately related to strings/vortices and strings are ubiquitous in string theory, we explore the possibility that cosmic strings may be contributing to the B-mode polarization anisotropy observed.

研究动机与目标

• 开发一种可在弦理论中实现的暴胀模型，以解释BICEP2观测到的张量标量比r ≈ 0.2所对应的B模式偏振。
• 解决大r值与弦理论中通常的场范围Δϕ < Mpl之间的矛盾，后者通常导致较小的r值。
• 探讨具有近似规范对称性的轴子势如何扩展有效暴胀场范围并产生周期性势能。
• 通过参数𝛴̂ = r + 4(ns − 1)量化余弦势模型与二次混沌暴胀之间的偏差，该参数用于衡量周期性效应。
• 评估在暴胀期间或之后产生的宇宙弦作为B模式偏振来源的可行性，并评估其在未来CMB数据中的可探测性。

提出的方法

• 在超引力框架中构建一个双轴子螺旋模型，其中由于轴子场的紧致性，暴胀势能简化为余弦函数。
• 推导暴胀场的有效势能和动力学，表明余弦势能导致的r值略小于标准ϕ²混沌暴胀模型中的r值。
• 定义参数𝛴̂ = r + 4(ns − 1)以量化与混沌暴胀的偏差，𝛴̂ = 0对应ϕ²暴胀，𝛴̂ < 0对应余弦模型。
• 分析暴胀期间的相变及其对r的影响，表明其倾向于进一步降低r值。
• 建模暴胀或再热期间的宇宙弦产生，其中弦张力Gμ > 7×10⁻⁹为可避免脉冲星计时阵列限制的可行范围。
• 比较暴胀与宇宙弦产生的B模式功率谱，表明在改进的数据下二者可被区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种弦理论启发的轴子暴胀模型，在保持Δϕ < Mpl的约束下重现BICEP2观测到的r ≈ 0.2？
• RQ2 轴子势的周期性如何影响张量标量比r？该偏差能否被量化并加以检验？
• RQ3 宇宙弦在B模式CMB偏振中的作用是什么？其信号能否与暴胀张量模式区分开来？
• RQ4 若宇宙弦在暴胀期间产生并被再加热过程稀释，能否避免脉冲星计时阵列的限制？
• RQ5 宇宙弦张力Gμ的可探测范围是多少，以确保其对B模式的贡献可观测，同时不违反现有观测约束？

主要发现

• 由于周期性轴子势的影响，螺旋暴胀模型的r值略小于二次混沌暴胀模型，r值可能最多降低Δr ≈ −0.03（约占r ≈ 0.2的20%）。
• 参数𝛴̂ = r + 4(ns − 1)量化了与混沌暴胀的偏差，𝛴̂ = 0对应ϕ²暴胀，𝛴̂ < 0对应余弦模型，为观测提供了独特特征。
• 暴胀期间的相变可能进一步降低r值，但该效应较小，且倾向于使r值进一步降低，与模型预测一致。
• 若在暴胀期间产生并被再加热过程稀释，张力Gμ > 7×10⁻⁹的宇宙弦可避开脉冲星计时阵列限制，使其成为可行候选者。
• 宇宙弦产生的B模式功率谱与暴胀张量模式存在显著差异，因此改进的CMB偏振数据可探测宇宙弦，或将其贡献约束在f10 < 0.03以内。
• 该模型允许多种类型的宇宙弦（局域、全局、D1-弦），其张力各异；较重的弦可能被抑制，而较轻的弦可在暴胀后迅速达到标度极限。