[论文解读] Unitary NEC violation in P(X) cosmologies

Claudia de Rham, Scott Melville|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 33被引用 1

一句话总结

本文研究了P(X)宇宙学中幺正性约束，其中单个标量场违反能量条件（NEC）以实现非奇点的反弹。结果表明，在有效场论有效范围之内，除非引入高维算符（要么具有平移对称性，要么需要微调系数），否则树图幺正性会禁止NEC的违反，而这会破坏自然性或幺正性。

ABSTRACT

A non-singular cosmological bounce in the Einstein frame can only take place if the Null Energy Condition (NEC) is violated. We explore situations where a single scalar field drives the NEC violation and derive the constraints imposed by demanding tree level unitarity on a cosmological background. We then focus on the explicit constraints that arise in P(X) theories and show that constraints from perturbative unitarity make it impossible for the NEC violation to occur within the region of validity of the effective field theory without also involving irrelevant operators that arise at a higher scale that would enter from integrating out more massive degrees of freedom. Within the context of P(X) theories we show that including such operators allows for a bounce that does not manifestly violate tree level unitarity, but at the price of either imposing a shift symmetry or involving technically unnatural small operator coefficients within the low-energy effective field theory.

研究动机与目标

• 在P(X)理论的背景下，检验由单个标量场驱动的非奇点宇宙学反弹的可行性。
• 研究树图幺正性对宇宙学背景中NEC违反施加的约束。
• 确定在低能有效场论框架下，是否可以在不显式破坏幺正性的情况下实现NEC违反。
• 评估高维算符在实现反弹同时保持微扰幺正性方面的作用。
• 评估为维持P(X)反弹模型中幺正性而所需的算符系数的技术自然性。

提出的方法

• 分析P(X)理论中单个标量场的有效场论，重点关注动能项X = (∂ϕ)²。
• 从树图幺正性推导出在宇宙学背景中散射振幅的约束。
• 确定在未引入高维算符的情况下，幺正性被破坏的能量尺度。
• 通过积分出较重自由度引入高维算符以恢复幺正性。
• 研究平移对称性对这些高维算符结构的影响。
• 在幺正性约束下，评估低能有效理论中算符系数的自然性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有效场论范围之内，P(X)宇宙学中是否可能在不违反树图幺正性的情况下实现非奇点反弹？
• RQ2 幺正性对单标量场宇宙学模型中NEC违反施加了哪些约束？
• RQ3 高维算符如何影响反弹的可行性，同时保持微扰幺正性？
• RQ4 在何种条件下，可以在不引入微调系数的情况下维持NEC违反的P(X)模型中的幺正性？
• RQ5 引入平移对称性是否能解决NEC违反反弹中高维算符带来的自然性问题？

主要发现

• 在有效场论的有效范围内，树图幺正性禁止P(X)宇宙学中NEC的违反，除非引入高维算符。
• 引入高维算符可实现反弹而不显式破坏幺正性，但代价是必须引入平移对称性或使用异常小的系数。
• 若无此类算符，NEC违反的能量尺度将超过有效场论的截断尺度，表明EFT描述已失效。
• 幺正性要求引入更高尺度的新物理，必须通过积分出的自由度来体现。
• 除非在高维算符上施加平移对称性，否则所得低能有效场论将变得技术上不自然。
• 分析表明，P(X)理论中实现一致且幺正的反弹需要超越最简单EFT框架的新物理。