[论文解读] Probing String Theory with Modulated Cosmological Fluctuations

Lev Kofman|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用 148

一句话总结

本文提出了一种新颖机制，通过在暴胀期间由轻模场或稀释子场引起的耦合常数空间非均匀性，在早期宇宙中生成近乎尺度不变的曲率涨落。这些由标量场长波长涨落引起的调制耦合，在预加热阶段产生等曲率扰动，进而转化为曲率涨落，为弦理论启发的、无需微调暴胀场势能的曲率涨落提供了替代方案。

ABSTRACT

Superstring theory, models with extra dimensions and other SUSY models generically predict that the coupling constants are in fact vacuum expectation values of fields like the dilaton, moduli etc. Assuming some of these fields are light during inflation, we get generation of small classical inhomogeneities in these fields from inflation. Consequently, coupling constants inherit small inhomogeneities at scales much larger than the causal horizon in the early universe. After the moduli get pinned down to their minima, the spatial variations of coupling constants in the late time universe will be erased. However, inhomogeneities in coupling constants in the very early universe would generate modulated large scale fluctuations in all relic species that are produced due to interactions and freezing out. Moreover (p)reheating of the inflaton field results in modulated curvature fluctuations. Even if the standard inflaton fluctuations are suppressed, in this picture we may have pure curvature cosmological fluctuations entirely generated by the modulated spatial variations of the coupling constants during preheating.

研究动机与目标

• 探索超弦理论和模场在宇宙涨落中的可观测特征。
• 阐明暴胀期间产生的耦合常数空间非均匀性如何导致大尺度宇宙涨落。
• 提出一种通过调制再加热过程独立于暴胀场势能生成曲率涨落的机制。
• 研究在预加热和再加热动力学背景下，调制涨落的观测可行性。
• 将弦理论紧化尺度和模场与可观测的CMB及大尺度结构各向异性联系起来。

提出的方法

• 将早期宇宙建模为在暴胀期间获得长波长非均匀性的轻模场或稀释子场。
• 假设这些场在超 horizon 尺度上调制耦合常数（例如规范或 Yukawa 耦合）。
• 分析空间变化的耦合对暴胀后再加热过程的影响，特别是在非微扰预加热阶段。
• 推导出由于再加热温度 $ T_r $ 变化而产生的辐射中相应等曲率涨落，其与 $ \delta\alpha/\alpha $ 相关。
• 表明由于再加热后引力主导，这些等曲率涨落会转化为曲率涨落。
• 建立最终曲率涨落振幅满足 $ \delta\rho/\rho \sim \delta\chi / \chi $，其中 $ \chi $ 为模场，在特定条件下导致尺度不变谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 模场的空间非均匀性是否能导致宇宙遗迹粒子中可观测的调制涨落？
• RQ2 在预加热期间，仅通过耦合常数的变化，能在多大程度上独立于暴胀场涨落生成曲率涨落？
• RQ3 再加热期间的调制耦合如何影响曲率涨落的功率谱？
• RQ4 此类调制涨落在CMB和大尺度结构中可能产生何种观测特征？
• RQ5 该机制是否能在不微调暴胀场势能的前提下，为标准暴胀模型提供可行的替代方案？

主要发现

• 在暴胀期间，模场的空间非均匀性在超 horizon 尺度上产生耦合常数的长波长经典非均匀性。
• 这些调制耦合在预加热阶段导致辐射中的等曲率涨落，其振幅与 $ \delta\alpha/\alpha $ 成正比。
• 由于再加热后引力主导，辐射中的等曲率涨落被高效地转化为曲率涨落。
• 最终产生的曲率涨落近乎尺度不变，且独立于暴胀场势能，为结构形成提供了一种新机制。
• 在暴胀场涨落被抑制的极限下，调制曲率涨落可占主导，为标准暴胀模型提供可行的替代方案。
• 该机制在预加热区域具有鲁棒性，可产生引力波振幅水平为 $ \sim H/M_P $ 的可观测效应。