[论文解读] Particles and the Universe

G. Lazarides|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文回顾了热大爆炸模型及其局限性——视界问题、平坦性问题和磁单极子问题，并通过慢滚标量场（即暴胀子）驱动的指数膨胀，阐明了暴胀理论如何解决这些问题。文章详细描述了再热过程、通过非热重轻子生成机制实现的重子不对称性、暗能量（73%）、暗物质（22%），以及暴胀可能产生的原初引力波，探讨了其对量子引力和弦理论的启示。

ABSTRACT

The early stages of the universe evolution are discussed according to the hot big bang model and the grand unified theories. The shortcomings of big bang are summarized and their resolution by inflationary cosmology is sketched. Cosmological inflation, the subsequent oscillation and decay of the inflaton field, and the resulting reheating of the universe are studied in some detail. The density perturbations produced by inflation and the temperature fluctuations of the cosmic microwave background radiation are introduced. Baryogenesis via non-thermal leptogenesis is analyzed and dark energy and matter in the universe are presented. Quantum gravity and string theory are very briefly introduced. The problem of initial conditions for inflation is discussed in the light of string theory and the possibly detectable primordial gravity waves from inflation are mentioned.

研究动机与目标

• 解决标准大爆炸模型中的视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。
• 通过暴胀密度扰动解释大尺度结构和宇宙微波背景各向异性的起源。
• 在暴胀子衰变为右手中微子的背景下，描述通过非热重轻子生成机制产生重子不对称性的过程。
• 分析宇宙的组分：27%物质，73%暗能量，22%暗物质，其中LSP是最有希望的候选者。
• 研究量子引力与弦理论在解决初始条件和探测原初引力波方面的作用。

提出的方法

• 使用热大爆炸模型和大统一理论（GUTs）来描述相变和对称性自发破缺，以模拟早期宇宙。
• 引入具有平坦势能的标量暴胀子场，驱动慢滚暴胀，导致准指数膨胀。
• 分析暴胀子场衰变为轻子等粒子，导致再热并恢复标准大爆炸演化。
• 利用右手中微子非平衡衰变产生轻子和希格斯玻色子的非热重轻子生成机制，生成原初轻子不对称性。
• 应用电弱Sphaleron过程将轻子不对称性转换为重子不对称性。
• 通过R-奇偶性保护约束下的共振双湮灭或与次轻量超对称粒子（NLSP）的共湮灭，评估暗物质的遗迹密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀如何解决标准大爆炸模型中的视界问题？
• RQ2 在暴胀宇宙学中，什么机制产生了可观测到的宇宙重子不对称性？
• RQ3 暴胀产生的原初密度扰动如何导致宇宙微波背景的温度涨落？
• RQ4 暴胀子场在暴胀后如何在再热过程中重新加热宇宙？
• RQ5 能否探测到暴胀产生的原初引力波？当前观测对它们振幅的约束是什么？

主要发现

• 暴胀通过驱动一段指数膨胀时期，拉伸因果联系并使空间曲率变平，从而解决了视界问题和平坦性问题。
• 普朗克数据将张量-标量比约束在 r ≲ 0.06 以内，表明原初引力波的振幅存在中等上限。
• 观测到的重子不对称性通过非热重轻子生成机制产生：右手中微子的衰变产生原初轻子不对称性，随后由Sphaleron过程转换为重子不对称性。
• 暗能量占宇宙能量密度的73%，与宇宙学常数一致；暗物质占22%，LSP由于R-奇偶性保护，是最有希望的候选者。
• 在超对称模型中，再热温度受引力子问题约束，T_r ≲ 10^9 GeV。
• 弦理论为量子引力提供了一个框架，可能通过具有紧致额外维度的预大爆炸情景，解释暴胀的初始条件。