[论文解读] Preheating in FRW Universes

D. Boyanovsky, D. Cormier+4 more|ArXiv.org|Sep 30, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文利用大N的O(N)模型，在辐射主导的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙中研究了预热过程——即通过负质量项引起的自发放对称性破缺或参数共振引发的爆炸性粒子产生。研究发现，当引入宇宙膨胀时，预热过程依然持续，但粒子产生量相比闵可夫斯基空间有所减少，并通过一个求和规则揭示了终态行为的规律，该规则表明由于自发对称性破缺，终态中必然存在戈尔登玻色子。

ABSTRACT

The nonlinear time evolution of the quantum fields is studied in the O(N) model for large N in a radiation dominated FRW universe, with a view towards the phenomenon of explosive particle production due to either spinodal instabilities or parametric amplification, i.e. preheating. Quantum backreaction effects due to the produced particles are included consistently within the large N approximation. We find that preheating persists when the expansion is included, although the amount of particle production is reduced compared to the values found in Minkowski space. We also see that the behavior of the evolving zero mode is very different from that in Minkowski space, though the late time behavior in all cases is determined by a sum rule that implies the existence of Goldstone bosons in the final state.

研究动机与目标

• 理解预热过程（由负质量项或参数共振驱动）在膨胀的FRW宇宙中是否持续。
• 分析辐射主导的FRW背景中量子场的非线性时间演化。
• 在大N近似下一致地包含量子反作用效应。
• 确定零模的终态行为及最终粒子谱是否与闵可夫斯基空间不同，特别是关于戈尔登模式的存在。
• 建立是否存在求和规则支配终态，从而暗示自发对称性破缺后戈尔登玻色子的存在。

提出的方法

• 采用大N极限下的O(N)模型以简化相互作用量子场的动力学。
• 使用FRW度规来建模辐射主导的膨胀宇宙，其中背景场随时间变化。
• 数值求解包含粒子产生反作用的量子场非线性运动方程。
• 大N近似使得粒子产生对背景演化产生的量子修正得以一致包含。
• 追踪零模演化以研究序参量的动力学与对称性破缺。
• 推导并应用求和规则，分析系统终态行为，将其与戈尔登玻色子的存在联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在辐射主导的FRW宇宙中，宇宙膨胀存在时，预热过程是否仍然持续？
• RQ2 包含量子反作用效应后，粒子产生效率如何变化？
• RQ3 与闵可夫斯基空间相比，FRW空间中零模的时间演化有何不同？
• RQ4 求和规则在确定预热后系统终态中的作用是什么？
• RQ5 终态是否必然包含戈尔登玻色子？这一结论如何由求和规则推导得出？

主要发现

• 预热过程在FRW宇宙中依然持续，但与闵可夫斯基空间相比，总粒子产生量有所减少。
• 由于宇宙膨胀，FRW空间中零模的行为与闵可夫斯基空间有显著差异。
• 求和规则支配终态动力学，确保自发对称性破缺后终态中存在戈尔登玻色子。
• 求和规则具有鲁棒性，不依赖初始条件，表明这是终态的普遍特征。
• 量子反作用效应被一致地包含，发现其抑制粒子产生，但并未完全消除预热过程。
• 终态包含有限数量的戈尔登玻色子，与全局对称性破缺背景下戈尔登定理的预期一致。