[论文解读] The Origin of Matter in the Universe: Reheating after Inflation

Lev Kofman|arXiv (Cornell University)|May 24, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用 24

一句话总结

本文研究了宇宙暴胀之后的重加热过程作为宇宙中所有物质的起源，表明通过参量共振（特别是爆炸性预加热）产生的粒子主导了微扰衰变。研究证明，重加热温度可远高于以往估计，从而引发新的宇宙学现象，如非热相变、重子数生成以及原初黑洞的抑制。

ABSTRACT

In the inflationary scenario all the matter constituting the universe was created from the process of reheating after inflation. Recent development of the theory of reheating is briefly reviewed. The list of topics includes elementary (perturbative) theory of reheating; quantum field theory in a time-varying background; parametric resonance and explosive particle creation; non-thermal phase transitions from reheating; baryogenesis from reheating; residual oscillations of the scalar field, and other cosmological applications.

研究动机与目标

• 理解暴胀后重加热过程中非微扰的粒子产生机制。
• 解决混沌暴胀模型中微扰重加热理论的局限性。
• 探讨通过参量共振的预加热如何改变宇宙学结果，如熵产生、重子数生成及拓扑缺陷的形成。
• 评估非热粒子产生在触发早期宇宙相变与热化过程中的作用。
• 通过要求预加热动力学抑制遗迹磁单极子和原初黑洞，对暴胀模型进行约束。

提出的方法

• 在具有时变背景的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克时空中，使用克莱因-戈登方程分析标量场的演化。
• 应用弯曲时空中的量子场论，模拟标量场相干振荡引起的粒子产生。
• 研究具有势能 $ V(\phi) = \frac{1}{2}m_\phi\phi^2 $ 和 $ V(\phi) = \frac{1}{4}\lambda\phi^4 $ 的标量场理论中的参量共振，识别宽共振与窄共振区域。
• 使用非微扰技术研究超越单圈近似的爆炸性粒子产生，尤其在强耦合区域。
• 评估热化过程与重加热温度 $ T_r $，表明由于非微扰效应，其可超过 $ 10^9 $ GeV。
• 研究预加热期间场涨落引起的对称性自发破缺，导致新型非热相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混沌暴胀中，预加热期间的参量共振如何改变标准微扰重加热情景？
• RQ2 非热粒子产生对大统一理论尺度模型中的重子数生成有何影响？
• RQ3 预加热能否抑制原初黑洞和磁单极子等拓扑缺陷的形成？
• RQ4 所产生粒子的大布居数如何影响重加热中微扰处理的有效性？
• RQ5 由场涨落引发的非热相变对现实暴胀模型施加了何种约束？

主要发现

• 预加热通过宽参量共振进行，导致爆炸性粒子产生，其布居数远超热平衡值。
• 重加热温度 $ T_r $ 可显著高于 $ 10^9 $ GeV，尤其当非微扰效应主导于微扰衰变速率时。
• 即使在具有大统一理论尺度对称性破缺的模型中，非热相变仍可发生，由预加热期间的涨落触发。
• 重子数生成不再需要高温对称性恢复，因为超重粒子可非平衡地大量产生。
• 由于预加热期间状态方程从真空型迅速转变为辐射主导，原初黑洞的形成受到抑制。
• 在强耦合区域，预加热结束时间早于单圈近似预测，当 $ n_E \sim 1/\alpha $ 时过程终止，表明微扰理论失效。