[论文解读] SuperCool Inflation: A Graceful Exit from Eternal Inflation at LHC Scales and Below

Douglas Spolyar|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 67被引用 3

一句话总结

本文提出超冷膨胀（SCI），一种通过热效应与技术自然的真空不稳定机制，实现从永恒暴胀中优雅退出的机制，该机制涉及QCD类费米子与Yukawa耦合的暴胀场。随着宇宙冷却，冻结的非阿贝尔规范场触发一个 tadpole 项，使虚假真空失稳，从而在不依赖慢滚或标量场动力学的情况下结束暴胀，使LHC能标范围内的可检验暴胀成为可能，并通过一个轻量的观测场（自旋-1场）产生与CMB观测相容的密度扰动。

ABSTRACT

In SuperCool Inflation (SCI), a technically natural and thermal effect gives a graceful exit to old inflation. The Universe starts off hot and trapped in a false vacuum. The Universe supercools and inflates solving the horizon and flatness problems. The inflaton couples to a set of QCD like fermions. When the fermions' non-Abelian gauge group freezes, the Yukawa terms generate a tadpole for the inflaton, which removes the barrier. Inflation ends, and the Universe rapidly reheats. The thermal effect is technically natural in the same way that the QCD scale is technically natural. In fact, Witten used a similar mechanism to drive the Electro-Weak (EW) phase transition; critically, no scalar field drives inflation, which allows SCI to avoid eternal inflation and the measure problem. SCI also works at scales, which can be probed in the lab, and could be connected to EW symmetry breaking. Finally, we introduce a light spectator field to generate density perturbations, which match the CMB. The light field does not affect the inflationary dynamics and can potentially generate non-Gaussianities and isocurvature perturbations observable with Planck.

研究动机与目标

• 解决旧暴胀中的'优雅退出'问题，即量子隧穿过程过于缓慢，无法有效结束暴胀。
• 通过消除慢滚动力学，避免永恒暴胀及其相关的测度问题。
• 实现在低能标（TeV及以下）的暴胀，使该机制在大型强子对撞机（LHC）上可被检验。
• 在不依赖暴胀场的情况下，生成与CMB观测相容的绝热密度扰动。
• 引入一种新机制——'aulos'，通过一个赝Nambu-Goldstone玻色子生成等曲率扰动与非高斯扰动。

提出的方法

• 该模型采用具有Coleman-Weinberg势的复标量暴胀场，并通过Yukawa相互作用与QCD类费米子耦合。
• 有限温度效应在暴胀期间稳定虚假真空，抑制量子隧穿。
• 在临界温度Tc时，非阿贝尔规范场冻结，形成费米子凝聚 ⟨λ̄λ⟩ ≃ Tc³。
• 该凝聚在暴胀场势能中诱导出一个tadpole项，消除势垒，从而结束暴胀。
• 引入一个轻量观测场（即'aulos'场），作为赝Nambu-Goldstone玻色子，通过不对称机制生成等曲率扰动。
• 暴胀末期，aulos场发生振荡，衰变为辐射，产生与CMB观测一致的绝热密度扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种热效应驱动、技术自然的机制，可在不依赖慢滚动力学的情况下实现从永恒暴胀中优雅退出？
• RQ2 是否可能在TeV能标能量下实现暴胀，同时避免测度问题与超普朗克尺度问题？
• RQ3 如何在不依赖暴胀场的情况下生成与CMB观测相容的绝热密度扰动？
• RQ4 aulos机制能否产生可观测的非高斯性与可被普朗克卫星探测到的等曲率扰动？
• RQ5 通过费米子凝聚实现真空不稳定的Witten型机制，是否可作为标量驱动暴胀的可行替代方案？

主要发现

• 该模型通过冻结的非阿贝尔规范场触发的热效应与技术自然的tadpole机制，实现了从暴胀中优雅退出。
• 暴胀在Tc温度迅速结束，即使虚假真空在经典上稳定，也避免了永恒暴胀及其相关的测度问题。
• 该机制具有技术自然性，类似于QCD标度，其能标差异达约10^20数量级，与电弱标度类似。
• 该模型在LHC能标或以下能量尺度下运行，使其在实验室中具有潜在可检验性。
• aulos场生成的等曲率扰动可演化为与CMB观测一致的绝热密度扰动。
• 该模型预测可观测的非高斯性与等曲率模态，可能被普朗克卫星及未来的CMB实验探测到。