[论文解读] On the Expansion Rate of the Universe at the Electroweak Scale

Michael Joyce|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 1996

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本文提出，在电弱相变期间，若存在一个由标量场驱动的kination阶段（其能量密度按 $1/a^6$ 变化），则可削弱sphaleron束缚，使重子不对称性即使在二阶相变或交叉相变中也能被保留。这挑战了在辐射主导宇宙中必须经历一阶相变的标准要求，从而为电弱尺度上的重子生成提供了新机制。

ABSTRACT

The standard requirement for the production of baryons at the electroweak phase transition, that the phase transition be first order and the sphaleron bound be satisfied, is predicated on the assumption of a radiation dominated universe at that epoch. One simple alternative - domination by the energy in a kinetic mode of a scalar field which scales as $1/a^6$ - gives a significantly weakened sphaleron bound for the preservation of a baryon asymmetry produced at a first-order phase transition, and allows the possibility that the observed baryon asymmetry be produced when the phase transition is second-order or cross-over. Such a phase of `kination' at the electroweak scale can occur in various ways as a scalar field evolves in an exponential potential after inflation.

研究动机与目标

• 研究在非标准宇宙学条件下，标准重子生成对一阶电弱相变的要求是否可以放宽。
• 分析具有能量密度按 $1/a^6$ 变化的kination阶段——即标量场能量密度随时间变化——对sphaleron跃迁速率和重子数破坏的影响。
• 确定在这些条件下，是否可在二阶或交叉电弱相变期间生成观测到的重子不对称性。
• 探索涉及标量场在指数势能中演化、自然导致电弱尺度上kination的可行宇宙学情景。

提出的方法

• 通过以标量场主导的早期宇宙模型，使能量密度在电弱时期呈现 $1/a^6$ 的标度关系。
• 推导kination条件下有效sphaleron速率抑制因子，表明其显著弱于辐射主导宇宙中的情况。
• 利用标量场在指数势能中的运动方程，证明在暴胀后kination的出现。
• 计算kination期间的哈勃参数和膨胀速率，以评估其对sphaleron过程和重子数破坏的影响。
• 将kination中的sphaleron跃迁速率与辐射主导宇宙中的情况进行比较，量化sphaleron束缚的削弱程度。
• 评估在kination条件下，二阶或交叉相变期间重子不对称性生成的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在kination主导的宇宙中，sphaleron束缚是否足够减弱，以在二阶电弱相变期间保留重子不对称性？
• RQ2 何种宇宙学条件允许标量场在电弱尺度上实现 $1/a^6$ 能量密度标度的kination阶段？
• RQ3 kination期间的膨胀速率如何影响sphaleron跃迁速率和重子数破坏速率？
• RQ4 在kination主导的宇宙中，何种条件下可在交叉或二阶相变期间生成重子不对称性？
• RQ5 标量场在指数势能中的动力学是否能自然地在电弱尺度上导致kination，从而开启新的重子生成机制？

主要发现

• 能量密度按 $1/a^6$ 标度的kination阶段显著削弱了sphaleron束缚，降低了重子数破坏的速率。
• sphaleron束缚的削弱使得即使电弱相变为二阶或交叉相变，重子不对称性也能被保留。
• 若宇宙在电弱尺度处于kination阶段，则观测到的重子不对称性可在二阶或交叉相变期间生成。
• kination可自然地从暴胀后在指数势能中演化的标量场中产生，为该阶段提供了可行的宇宙学起源。
• 该模型放宽了重子生成对一阶相变的标准要求，为电弱重子生成开辟了新途径。