[论文解读] Particle production from symmetry breaking after inflation

J. García-Bellido, E. Ruiz Morales|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用 10

一句话总结

本文提出，暴胀后的对称性自发破缺会触发快速的 tachyonic 预加热，通过长波模式的自发放大导致快速的粒子产生。该机制可产生显著的玻色子和费米子，为超大质量暗物质的形成以及通过轻子生成机制产生重子不对称性提供了一条新途径。

ABSTRACT

Recent studies suggest that the process of symmetry breaking after inflation typically occurs very fast, within a single oscillation of the symmetry-breaking field, due to the spinodal growth of its long-wave modes, otherwise known as `tachyonic preheating'. We show how this sudden transition from the false to the true vacuum can induce a significant production of particles, bosons and fermions, coupled to the symmetry-breaking field. We find that this new mechanism of particle production in the early Universe may have interesting consequences for the origin of supermassive dark matter and the generation of the observed baryon asymmetry through leptogenesis.

研究动机与目标

• 研究暴胀后从假真空到真真空的快速转变过程中粒子产生的动力学行为。
• 理解对称性破缺场的长波模式通过自发放大机制驱动快速粒子产生的机制。
• 探讨该机制在生成超大质量暗物质和通过轻子生成机制产生重子不对称性方面的宇宙学影响。

提出的方法

• 使用具有假真空和真真空最小值的标量场模型来描述对称性破缺场。
• 在膨胀背景中，利用线性化运动方程分析该场的长波量子涨落演化。
• 识别在对称性破缺转变期间由于自发放大不稳定性而指数增长的 tachyonic（虚质量）模式。
• 利用弯曲时空中的量子场论，计算与对称性破缺场耦合的玻色子和费米子的粒子产生率。
• 评估所产生粒子的能量密度和数密度，以评估其宇宙学相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对称性破缺在暴胀后多快发生？是什么驱动了向真真空的快速转变？
• RQ2 对称性破缺场的自发放大模式在粒子产生中起到了多大程度的贡献？
• RQ3 该阶段玻色子和费米子的产生幅度和谱函数分别是多少？
• RQ4 该机制能否解释观测到的超大质量暗物质丰度？
• RQ5 该过程是否能为通过轻子生成机制产生重子不对称性提供可行途径？

主要发现

• 由于 tachyonic 预加热，从假真空到真真空的转变在对称性破缺场的一个振荡周期内完成。
• 该场的长波模式通过自发放大不稳定性指数增长，驱动了快速的粒子产生。
• 对称性破缺场的动力学显著诱导了玻色子和费米子的产生。
• 该机制可能通过重粒子的相干产生，自然地生成超大质量暗物质候选者。
• 该过程为早期宇宙中通过轻子生成机制产生观测到的重子不对称性提供了潜在路径。