[论文解读] Particle Creation in Pre-Big-Bang Cosmology: theory and observational consequences

Ruth Durrer, Kerstin E. Kunze+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了前大爆炸宇宙学中的粒子产生，该模型受弦理论对偶性启发，其中量子涨落产生原初扰动。研究发现，张量模式产生蓝谱，$n_T = 3$，除非通过稀释子势能修正，否则与观测不兼容；而轴子和电磁种子可能引发大尺度结构和原初磁场，但只有在特定条件下轴子才能产生可行的谱。

ABSTRACT

We present some phenomenological aspects of the pre-big-bang cosmological model inspired by the duality properties of string theory. In particular, assuming the spatial sections of the homogeneous background geometry to be isotropic, we discuss the quantum production of perturbations of the background fields (gravitons, dilatons, moduli fields), as well as the production of particles which do not contribute to the background, which we call ``seeds''. As such we consider the cases of electromagnetic and axionic seeds. We also discuss their possible observational consequences, for example, we study whether they can provide the origin of primordial galactic magnetic fields, and whether they can generate the initial fluctuations leading to the formation of large-scale structure and the measured cosmic microwave background anisotropies. We finally analyze axion and photon production in four dimensional anisotropic pre-big-bang cosmological models.

研究动机与目标

• 探索受弦理论对偶性启发的前大爆炸（PBB）宇宙学模型中粒子产生的现象学后果。
• 评估背景场（引力子、稀释子、模场）和非背景场（'种子'）的量子涨落是否能产生可观测的原初结构。
• 确定电磁或轴子种子是否可解释原初星系磁场和大尺度结构的起源。
• 评估PBB模型能否重现观测到的宇宙微波背景（CMB）各向异性，特别是通过标度不变扰动。
• 分析四维PBB模型中各向异性对粒子产生及谱结果的影响。

提出的方法

• 使用弦理论在$D$维下的低能有效作用量，包含稀释子、反称张量场$B_{\mu\nu}$和物质作用量$S_M$，推导宇宙学方程。
• 应用尺度因子对偶性和时间反演对称性，将标准大爆炸后解映射为具有加速膨胀的前大爆炸解。
• 分析从前大爆炸到大爆炸后时期过渡期间真空涨落的参数共振放大，重点关注标量、张量和稀释子/模场扰动。
• 计算来自'种子'场（电磁场和卡伯-拉蒙轴子）的二阶能量-动量张量扰动，以评估其几何影响。
• 对温度各向异性进行多重极展开，量化种子场对CMB涨落的贡献。
• 同时考虑各向同性和各向异性四维宇宙学模型，计算在不同内维收缩速率下无质量轴子和光子的能量谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 前大爆炸模型能否产生与CMB观测相容的标度不变的绝热扰动谱？
• RQ2 电磁种子涨落是否能产生可观测的原初磁场，或对CMB各向异性有显著贡献？
• RQ3 质量高达100 MeV的卡伯-拉蒙轴子能否产生平坦或略微偏蓝的谱，与当前数据一致？
• RQ4 包含稀释子势能对稀释子和模场扰动的谱指数有何影响？
• RQ5 各向异性前大爆炸模型与各向同性模型相比，是否产生不同的粒子产生谱？

主要发现

• PBB模型中的张量度规扰动产生蓝倾斜的功率谱，$n_T = 3$，除非通过稀释子势能修正，否则与CMB观测不兼容。
• 标量扰动通常具有红谱，$n = 0$，导致过大的大尺度非均匀性，与观测冲突，除非通过稀释子势能修正。
• 若引入指数稀释子势能，稀释子和模场扰动可实现标度不变的哈里森-泽尔多维奇谱（$n = 1$），使其与CMB数据一致。
• 电磁种子涨落产生迅速衰减的蓝谱，在大尺度上无效，无法生成可观测的原初磁场，尽管对CMB各向异性的贡献可忽略。
• 卡伯-拉蒙轴子的谱取决于内维收缩速率，可产生平坦或略微偏蓝的谱，在合理假设下谱指数与当前数据兼容。
• 在四维各向异性PBB模型中，轴子谱仍存在红外发散，且谱异常偏红，而光子谱保持蓝谱，表明与各向同性情况存在相同根本问题。