[论文解读] Reheating the Post Inflationary Universe

D. Boyanovsky, M. D’Attanasio+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 1995

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文研究了暴胀结束后，暴胀场与较轻的标量场和费米子耦合后的非平衡动力学，表明在大振幅下，阻尼时间尺度可能显著短于单粒子衰变速率。因此，再热温度可能与标准估计值显著偏离，尤其是在混沌暴胀情景中。

ABSTRACT

We consider the non-equilibrium evolution of the inflaton field coupled to both lighter scalars and fermions. The dissipational dynamics of this field is studied and found to be quite different than that believed in inflationary models. In particular, the damping time scale for the expectation value of the zero momentum mode of the inflaton can be much shorter than that given by the single particle decay rate when the inflaton amplitudes are large, as in chaotic inflation scenarios. We find that the reheating temperature may depart considerably from the usual estimates.

研究动机与目标

• 理解暴胀后暴胀场的非平衡演化，特别是在混沌暴胀中存在大场振幅的背景下。
• 研究与较轻标量场和费米子的耦合如何影响暴胀场的阻尼与热化过程。
• 挑战传统假设，即单粒子衰变速率能准确决定再热时间尺度。
• 评估再热温度的影响，该温度通常基于微扰衰变速率进行估算。
• 探索非平衡效应是否导致暴胀场向辐射的能量转移加快，从而改变标准再热图像。

提出的方法

• 使用非平衡量子场论技术，模拟暴胀场及其衰变产物的时间演化。
• 在非微扰、非平衡设置下，分析暴胀场零动量模的阻尼率。
• 同时考虑标量和费米子衰变通道，纳入在大暴胀场振幅下非微扰的相互作用。
• 应用有效场论和实时间形式，计算暴胀场的自能和谱函数。
• 求解暴胀场期望值及其相关函数在暴胀后早期的动力学方程。
• 将所得阻尼时间尺度与标准单粒子衰变速率进行比较，以识别大振幅区域的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大场振幅下，暴胀场零模的阻尼率与单粒子衰变速率相比有何偏离？
• RQ2 非平衡动力学在加速暴胀场向轻粒子转移能量方面起什么作用？
• RQ3 标量和费米子衰变通道如何共同影响暴胀后宇宙中的再热过程？
• RQ4 非微扰效应在多大程度上改变标准再热温度的估算？
• RQ5 在何种参数区域内，再热的标准微扰方法会失效？

主要发现

• 当暴胀场振幅较大时，暴胀场零动量模的阻尼时间尺度可能显著短于单粒子衰变速率。
• 非平衡效应导致暴胀凝聚体向轻粒子的能量转移加快，加速了热化过程的开始。
• 再热温度可能与基于微扰衰变速率的标准估算值显著偏离，尤其在混沌暴胀模型中。
• 在大场振幅下，动力学主要由集体的、非微扰效应主导，而非单粒子衰变。
• 由于非平衡演化中中间态的产生和记忆效应，有效阻尼率得到增强。
• 结果表明，标准再热图像可能低估了早期宇宙中能量转移的速率。