[论文解读] Post-inflationary thermalization and hadronization: QCD based approach

Prashanth Jaikumar, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本文利用微扰QCD研究了早期宇宙中暴胀后的热化与强子化过程，重点分析了标量场衰变为夸克与胶子的机制。研究确定了主导阶过程的热化 timescale，并表明当再加热温度较低但高于大爆炸核合成温度时，强子化成为热化过程的关键组成部分，揭示了其与重离子碰撞的相似性与差异性。

ABSTRACT

We study thermalization of the early Universe when the inflaton can decay into the Standard Model quarks and gluons, using perturbative QCD arguments. We comment on the nature of the thermal plasma of soft gluons and quarks that can be formed well before the completion of reheating. We also discuss hadronization while thermalizing the decay products of the inflaton. Hadronization becomes a part of thermalization especially when the reheat temperature of the Universe is sufficiently low but above the temperature of the Big Bang nucleosynthesis. We discuss relevant interaction rates of leading order processes and their corresponding thermalization time scale. We will also highlight similarities and dissimilarities vis-a-vis collider based ultra-relativistic heavy-ion collisions, concentrating especially on hadronization of the inflaton decay products.

研究动机与目标

• 理解暴胀后早期宇宙的热化过程，特别是标量场衰变为标准模型夸克与胶子时的情形。
• 分析在再加热完成前，软胶子与夸克热等离子体的形成与演化过程。
• 研究当再加热温度较低但高于大爆炸核合成温度时，强子化作为热化过程关键组成部分的机制。
• 比较宇宙学中标量场衰变产物与对撞机中高能重离子碰撞的热化与强子化动力学。

提出的方法

• 利用微扰QCD建模早期宇宙中标量场衰变为夸克与胶子的过程。
• 计算热化过程中关键过程的主导阶散射速率。
• 基于这些散射速率与能量密度的演化，估算热化 timescale。
• 分析预再加热阶段软胶子与夸克等离子体形成的作用。
• 比较宇宙学中标量场衰变与对撞机中重离子碰撞的热化与强子化机制。
• 应用热场论概念，评估QCD方法在宇宙学背景下的有效性与适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 主导阶QCD过程如何调控早期宇宙中标量场衰变产物的热化？
• RQ2 预再加热阶段产生的软胶子与夸克的热化 timescale 是多少？
• RQ3 在何种参数范围内，强子化成为热化过程的重要组成部分？
• RQ4 标量场衰变产物的热化过程与高能重离子碰撞中的热化过程有何异同？
• RQ5 宇宙学与对撞机场景下强子化动力学的关键差异是什么？

主要发现

• 标量场衰变产物的热化通过主导阶QCD过程实现，其 timescale 取决于夸克与胶子的散射速率。
• 软胶子与夸克的热等离子体在再加热完成前已显著形成，表明热化过程在早期即已启动。
• 当再加热温度较低但仍高于大爆炸核合成温度时，强子化成为热化过程的关键组成部分。
• 标量场衰变场景下的强子化动力学与重离子碰撞中存在结构上的相似性，尤其体现在非微扰QCD效应的作用方面。
• 主要差异体现在初始条件与能量密度演化上，进而影响热化与强子化的时序与效率。