[论文解读] Thermal and quantum induced early superstring cosmology

F. Bourliot, John Estes+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 37被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于弦理论的早期宇宙宇宙学框架，通过将宇宙建模为充满超弦气体的环面，利用欧几里得时间中的边界条件引入热效应和规范对称性破缺效应。结果表明，准静态演化普遍驱动系统趋向辐射主导解，动态地使内部维度去紧致化，同时稳定其他维度，为暴胀宇宙学提供了一种紫外完备的替代方案。

ABSTRACT

In this work, we review the results of Refs [1]-[5] dedicated to the description of the early Universe cosmology induced by quantum and thermal effects in superstring theories. The present evolution of the Universe is described very accurately by the standard Lambda-CDM scenario, while very little is known about the early cosmological eras. String theory provides a consistent microscopic theory to account for such missing epochs. In our framework, the Universe is a torus filled with a gas of superstrings. We first show how to describe the thermodynamical properties of this system, namely energy density and pressure, by introducing temperature and supersymmetry breaking effects at a fundamental level by appropriate boundary conditions. We focus on the intermediate period of the history: After the very early "Hagedorn era" and before the late electroweak phase transition. We determine the back-reaction of the gas of strings on the initially static space-time, which then yields the induced cosmology. The consistency of our approach is guaranteed by checking the quasi-staticness of the evolution. It turns out that for arbitrary initial boundary conditions at the exit of the Hagedorn era, the quasi-static evolutions are universally attracted to radiation-dominated solutions. It is shown that at these attractor points, the temperature, the inverse scale factor of the Universe and the supersymmetry breaking scale evolve proportionally. There are two important effects which result from the underlying string description. First, initially small internal dimensions can be spontaneously decompactified during the attraction to a radiation dominated Universe. Second, the radii of internal dimensions can be stabilized.

研究动机与目标

• 通过超弦理论发展早期宇宙宇宙学的紫外完备描述，解决对暴胀前时期的理解不足问题。
• 通过欧几里得时间与紧致化维度中的边界条件，从根本上引入热效应和规范对称性破缺。
• 分析弦气体对时空几何的反作用，从第一性原理推导出诱导的宇宙学演化。
• 探讨弦理论是否能在早期演化过程中动态生成维度变化并稳定内部维度。
• 评估该框架作为暴胀的替代方案的潜力，特别是在解决哈吉多恩相变和实现均匀性方面。

提出的方法

• 将早期宇宙建模为具有超弦气体的环面紧致化，使用一环欧几里得弦路径积分计算能量密度和压强。
• 通过沿欧几里得时间的周期性边界条件引入温度，通过在内部紧致维度上的非平凡边界条件实现规范对称性破缺。
• 求解由弦作用量导出的低能有效运动方程，假设准静态演化以避免快速变化。
• 分析内部半径的动力学，区分参与规范对称性破缺的维度（可能去紧致化）与被稳定的维度。
• 使用弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规描述大尺度几何，其中包含尺度因子 a(t) 和 lapse 函数 N(t)。
• 研究从哈吉多恩时代末期到电弱相变期间的演化，重点关注中间时间 t_E ≪ t ≪ t_W。

实验结果

研究问题

• RQ1 超弦理论中的热效应和量子效应是否能在不依赖初始暴胀阶段的情况下导致辐射主导的宇宙学演化？
• RQ2 在弦气体热力学和规范对称性破缺的影响下，内部紧致维度如何演化？
• RQ3 在早期宇宙演化过程中，什么决定了内部维度是否去紧致化或保持稳定？
• RQ4 该弦理论框架在多大程度上自然地导致一个均匀、各向同性且平直的宇宙？
• RQ5 该框架是否能提供标准暴胀情景的紫外完备替代方案，特别是在解决哈吉多恩相变方面？

主要发现

• 无论在哈吉多恩时代末期的初始边界条件如何，弦气体的准静态演化普遍被吸引至辐射主导解（RDS）。
• 在 RDS 吸引子处，温度、反尺度因子和规范对称性破缺尺度成比例演化，表明存在普遍的标度行为。
• 参与规范对称性破缺的内部维度可被动态地去紧致化，导致有效时空维度的增加。
• 未参与规范对称性破缺的内部维度由弦气体的热效应和量子反作用稳定。
• 该模型未预测显著的暴胀；相反，它通过弦气体相中的吸引子动力学实现均匀性和平坦性。
• 该框架提供了早期宇宙学的一致且紫外有限的描述，避免了量子场论中的发散问题。