#ResearchHighlight
🛎 Observational constraints and preheating in cuscuton inflation
📌 Authors: Phongpichit Channuie*,**, Khamphee Karwan***, Jakkrit Sangtawee***,****
*College of Graduate Studies, Walailak University, Thailand
**School of Science, Walailak University, Thailand
***The Institute for Fundamental Study “The Tah Poe Academia Institute”, Naresuan University, Thailand
**** Development and Promotion of Science and Technology National Science( DPST) and National Science, Research and Innovation Fund (NSRF)
📌 ความสำคัญและที่มา
“อินเฟลชัน” คือการขยายตัวด้วยความเร่งของเอกภพในยุคเริ่มแรกหลังจากการกำเนิดเอกภพชั่วเสี้ยววินาที การเสนออินเฟลชันเข้าเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ที่สำคัญในแบบจำลองของเอกภพสามารถแก้ปัญหาแบบจำลองบิ๊กแบง ซึ่งเป็นแบบจำลองมาตรฐานของการวิวัฒน์ของเอกภพ นอกจากนี้อินเฟลชันยังมีกลไกในการสร้าง “การรบกวน” ในเอกภพขึ้นมาได้ ซึ่งจะนำไปสู่การก่อให้เกิดโครงสร้างต่าง ๆ ในเอกภพ ณ เวลาปัจจุบัน อินเฟลชันสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อเราใส่สนามสเกลาร์ซึ่งเรียกว่าอินเฟลตอนลงในทฤษฎีความโน้มถ่วง ในอีกมุมมองหนึ่งเราอาจมองได้ว่าอินเฟลชันสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อทฤษฎีความโน้มถ่วงเบี่ยงเบนไปจากทฤษฎสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งเราเรียกทฤษฎีความโน้มถ่วงดังกล่าวว่า “ทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบปรับปรุง” การศึกษาอินเฟลชันโดยใช้แบบจำลองของทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบปรับปรุงแบบต่าง ๆ ก็เป็นหนึ่งในหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก การขยายตัวของเอกภพในช่วงอินเฟลชันเป็นการขยายตัวแบบเสมือนสถานะแวคคัมและถูกขับเคลื่อนโดยสนามอินเฟลตอนเพียงอย่างเดียว ซึ่งส่งผลให้อนุภาคต่าง ๆ ที่ไม่ได้อยู่ในสถานะเสมือนแวคคัมในเอกภพช่วงอินเฟลชันมีความหนาแน่นลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้จำนวนอนุภาคที่หลงเหลืออยู่ในเอกภพหลังจากอินเฟลชันหยุดไม่สามารถก่อตัวเป็นโครงสร้างต่าง ๆ ในเอกภพได้ ในการที่จะทำให้เอกภพมีจำนวนอนุภาคมากพอที่จะก่อตัวเป็นโครงสร้างต่าง ๆ ได้ นักจักรวาลวิทยาเสนอกลไกเพิ่มเข้าไปในแบบจำลองมาตรฐานของเอกภพซึ่งเรียกว่ากระบวนการ “รีฮีทติง” ในกระบวนการนี้อินเฟลตอนได้ถ่ายเทพลังงานเพื่อสร้างเป็นอนุภาคจำนวนมากในช่วงหลังอินเฟลชัน โดยอนุภาคที่ถูกสร้างโดยกระบวนการนี้จะเป็นอนุภาคตั้งต้นในการก่อตัวเป็นโครงสร้างต่าง ๆ ในเอกภพยุคปัจจุบัน
โดยปกติแล้วการปรับปรุงทฤษฎีความโน้มถ่วงสามารถทำได้โดยการเพิ่ม “องศาอิสระ” ลงไปในอันตรกิริยาความโน้มถ่วงของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อย่างไรก็ตามได้มีการพยายามที่จะสร้างทฤษฎีความโน้มถ่วงที่มีจำนวนองศาอิสระเท่ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (2 องศาอิสระ) เราเรียกกลุ่มของทฤษฎีนี้ว่า “ทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบปรับเปลี่ยนน้อย” หนึ่งในรูปแบบของทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบปรับเปลี่ยนน้อยที่เป็นไปได้คือทฤษฎี “คัสคูตอน” ที่ถูกสร้างโดยการเพิ่มสนามสเกลาร์ลงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
โดยเราเรียกสนามสเกลาร์นั้นว่า “คัสคูตอน” ซึ่งเป็นสนามที่ไม่มีพลวัฒน์ ถึงแม้ว่าสนามคัสคูตอนจะเป็นสนามที่ไม่มีพลวัฒน์ แต่การมีอยู่ของสนามคัสคูตอนจะส่งผลให้สมการคอนสเตรนท์ของทฤษฎีความโน้มถ่วงเบี่ยงเบนออกจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นั่นคือทฤษฎีคัสคูตอนจัดเป็นหนึ่งในทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบปรับเปลี่ยน
ในงานวิจัยนี้เราใช้ทฤษฎีความโน้มถ่วงคัสคูตอนในการศึกษาอินเฟลชัน ในการศึกษาเบื้องต้นเราพบว่าการใช้ทฤษฎีคัสคูตอนเพียงอย่างเดียวโดยไม่มีสนามสเกลาร์อื่นในแบบจำลองไม่สามารถขับเคลื่อนอินเฟลชันได้ ดังนั้นเพื่อให้เอกภพสามารถเกิดอินเฟลชันได้เราจึงใส่สนามอินเฟลตอนเข้ามาในแบบจำลอง โดยในการศึกษานี้เราได้ศึกษาแบบจำลองของอินเฟลชันที่มีพจน์ของพลังงานศักย์สองแบบด้วยกันศักย์แบบเอ็กโพเนนเชี่ยลและศักย์แบบกำลังสอง ในการศึกษาพื้นหลังของเอกภพเราคำนวณหาค่าพารามิเตอร์การกลิ้งช้า ซึ่งจะนำไปสู่การพิจารณาว่าแบบจำลองที่เรากำลังศึกษาอยู่นั้นสามารถเกิด “เกรซฟูลเอ็กซิท” ได้หรือไม่ จากนั้นเรายังได้คำนวณหาอัตราส่วนระหว่างขนาดของการรบกวนแบบเทนเซอร์ต่อการรบกวนแบบสเกลาร์ ซึ่งเป็นปริมาณที่สามารถสังเกตได้ นอกจากนั้นเราศึกษาพาราเมตริกเรโซแนนซ์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการรีฮีทติง การศึกษานี้ทำให้เราสามารถอนุมานได้ว่าในเอกภพยุคเริ่มแรกที่เราศึกษาโดยใช้ทฤษฎีความโน้มถ่วงคัสคูตอนสามารถสร้างอนุภาคที่เพียงพอต่อการกำเนิดโครงสร้างต่าง ๆ ในเอกภพยุคปัจจุบันได้หรือไม่
📌 ผลสัมฤทธิ์สำคัญ
– สำหรับศักย์ในรูปกำลังสองเราพบว่า อัตราส่วนระหว่างขนาดของการรบกวนแบบเทนเซอร์ต่อการรบกวนแบบสเกลาร์สอดคล้องกับผลการสังเกตการณ์
– สำหรับศักย์แบบเอ็กโพเนนเชี่ยลเราพบว่าสำสามารถกำหนดเงื่อนไขที่ทำให้อินเฟลชันนั้นเกิดเกรซฟูลเอ็กซิทได้ และเมื่อเราใช้เงื่อนไขดังกล่าว ปริมาณที่สามารถสังเกตได้จากแบบจำลองนี้ แตกต่างจากแบบจำลองมาตรฐานของอินเฟลชันน้อยมาก
– จากการคำนวณพาราเมตริกเรโซแนนซ์ของศักย์แบบกำลังสองเราพบว่าแอมพลิจูดของเรโซแนนเหมือนกับแบบจำลองมาตรฐานของอินเฟลชัน
– ส่วนการคำนวณพาราเมตริกเรโซแนนซ์ของศักย์แบบเอ็กโพเนนเชียล เราพบว่าแอมพลิจูดของเรโซแนนซ์ลดลงเร็วกว่าแบบจำลองมาตรฐานของอินเฟลชัน แต่ก็เพียงพอที่จะสร้างอนุภาคให้มีจำนวนมากพอที่จะก่อตัวเป็นโครงสร้างต่าง ๆ ในเอกภพ
📌 Motivation and background
Cosmic inflation is the accelerating expansion of the universe in the early epoch. It is a successful scenario for solving shortcomings of the hot Big Bang model and providing a mechanism for creating the primordial density perturbations which are source of the structure of the observable universe. The inflation can be realized by introducing a scalar field, called inflaton, into the theory of gravity. Alternatively, inflation can also be achieved if the theory of gravity deviates from general relativity. This type of gravity theory is called modified Gravity theory. Many models of modified gravity theories are used to study inflation. During inflation, the universe expands with acceleration in vacuum-like state driven only by inflaton. In this state of expansion, the number density of particles that are not in the vacuum state is rapidly diluted due to the expansion. As a result, the number density of the particles in the universe is not enough to form a structure of the universe. To solve this problem, the reheating mechanism after the inflation was introduced. During the reheating phase, the inflaton field transfers energy to particles, and the number density of these particles increases. These particles are the origin of elementary particles in the present universe.
Usually, the modification of the theories of gravity can be done by adding extra degrees of freedom to gravitational interaction in General relativity. However, there are many attempts to construct a class of minimally modified theories of gravity in which the degrees of freedom for gravity are two tensorial modes similar to General relativity (GR). This class of theories is called minimally modified gravity theories. A possible form of minimally modified theories of gravity is the cuscuton theory which is constructed by adding a minimally coupled scalar field to GR. To keep the total degrees of freedom unchanged, the scalar field namely the cuscuton field has to be non-dynamical. Although the cuscuton field is non-dynamical, it alters the constraint equation of GR. So that cuscuton can be treated as a modified gravity theory.
In this research, we study the cuscuton theory in the cosmological aspect, especially the early universe. We found that barely cuscuton theory can not drive inflation. So we introduce an inflaton field in the model. The two forms of the inflaton potential i.e., exponential potential and power-law potential, are studied. For the background universe, we calculate the slow-roll parameters which can be used to examine the existence of the graceful exit of inflation. Moreover, we compute the ratio between the amplitude of tensor and scalar perturbations, which is the observable quantity. We also study the parametric resonance which is a process in the reheating mechanism, yielding prediction of the number density of the particle produced during the reheating epoch in the cuscuton theory.
📌 Key results
– For the quadratic potential, we find that the tensor-to-scalar ratio satisfies the observation bound.
– For the exponential potential of cuscuton, we find the condition for which the inflation has a graceful exit.
Under this condition, the observational predictions in this model differ by a few percent from those found in standard inflation.
– For the parametric resonance of the quadratic potential model, we find that the amplitude of the resonance is similar to the standard model of inflation.
– For the parametric resonance of the exponential potential model, we find that the amplitude of the resonance decreases faster than in the standard inflation.
However, the number density of the particles created from this process is sufficient to form the structure of the universe.
📌 Journal :
https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-023-11566-z
#CGL #IFNU #PhysicsNaresuan
