Инфлатон

Поле инфлатона – это гипотетическое скалярное поле , которое, как предполагается, вызвало космическую инфляцию в очень ранней Вселенной . ^[1]^[2]^[3]Поле, первоначально постулированное Аланом Гутом , ^[1] обеспечивает механизм, с помощью которого период быстрого расширения от 10 ⁻³⁵ до 10 ⁻³⁴ секунд после первоначального расширения может возникнуть, образуя Вселенную, соответствующую наблюдаемой пространственной изотропии и однородности.

Космологическая инфляция

Основной ^{[ нужны разъяснения ]} модель инфляции протекает в три этапа: ^[4]

Расширяющееся вакуумное состояние с высокой потенциальной энергией
Фазовый переход в истинный вакуум
Медленный прокат и разогрев

Расширяющееся вакуумное состояние с высокой потенциальной энергией

В квантовой теории поля вакуумное состояние или вакуум — это состояние квантовых полей, которое имеет локально минимальную потенциальную энергию. Квантовые частицы представляют собой возбуждения, которые отклоняются от этого состояния с минимальной потенциальной энергией, поэтому в вакуумном состоянии нет частиц. В зависимости от особенностей квантовой теории поля она может иметь более одного вакуумного состояния. Различные вакуумы, несмотря на то, что все они «пусты» (не имеют частиц), обычно имеют разную энергию вакуума . Квантовая теория поля предполагает, что давление энергии вакуума всегда отрицательно и равно по величине плотности его энергии.

Инфляционная теория постулирует, что существует вакуумное состояние с очень большой вакуумной энергией, вызванное ненулевым вакуумным математическим ожиданием поля инфлатона. Любая область космоса в этом состоянии будет быстро расширяться. Даже если изначально он не пуст (содержит несколько частиц), очень быстрое экспоненциальное расширение снижает плотность частиц практически до нуля.

Фазовый переход в истинный вакуум

Инфляционная теория далее постулирует, что это состояние «инфляционного вакуума» не является состоянием с самой низкой в мире энергией; скорее, это « ложный вакуум », также известный как метастабильное состояние.

Для каждого наблюдателя в любой выбранной точке пространства ложный вакуум в конечном итоге туннелирует в состояние с той же потенциальной энергией, но которое не является вакуумом (оно не находится в локальном минимуме потенциальной энергии - оно может «распасться»). Это состояние можно рассматривать как настоящий вакуум, заполненный большим количеством частиц инфлатона. Однако скорость расширения истинного вакуума в этот момент не меняется: меняется лишь его экспоненциальный характер на гораздо более медленное расширение метрики FLRW . Это гарантирует, что скорость расширения точно соответствует плотности энергии.

Медленный прокат и разогрев

В истинном вакууме частицы инфлатона распадаются, в конечном итоге образуя наблюдаемые частицы Стандартной модели. ^{[ нужна ссылка ]} Форма функции потенциальной энергии вблизи «туннельного выхода» из состояния ложного вакуума должна иметь пологий наклон, иначе рождение частиц было бы ограничено границей расширения пузыря истинного вакуума, что противоречит наблюдениям (наша Вселенная не состоит из огромных, полностью пустых тел). пузыри). Другими словами, квантовое состояние должно «медленно катиться ко дну».

По завершении распад инфлатонных частиц пространство заполняет горячая и плотная плазма Большого взрыва. ^[5]

Кванты поля

Ожидается, что, как и любое другое квантовое поле, возбуждения поля инфлатона будут квантованы. Кванты поля инфлатона известны как инфлатоны . инфлатонного поля В зависимости от моделируемой плотности потенциальной энергии основное состояние может быть, а может и не быть нулевым.

Термин «инфлатон» следует типичному стилю названий других квантовых частиц – таких как фотон , глюон , бозон и фермион – происходящих от слова «инфляция» . Этот термин был впервые использован в статье Нанопулоса , Оливы и Средницки (1983). ^[6]Природа инфлатонного поля в настоящее время неизвестна. Одним из препятствий для сужения его свойств является то, что современная квантовая теория не способна правильно предсказать наблюдаемую энергию вакуума на основе содержания частиц выбранной теории (см. Вакуумная катастрофа ).

Аткинс (2012) предположил, что, возможно, никакого нового поля не требуется – что модифицированная версия поля Хиггса может функционировать как инфлатон. ^[7]

Неминимально связанная инфляция

Неминимально связанная инфляция — это инфляционная модель, в которой константа, связывающая гравитацию с полем инфлатона, не мала. Константа связи обычно выражается выражением $\xi$ (буква xi ), которая присутствует в действии (построенном путем модификации действия Эйнштейна–Гильберта ): ^[8]^: 1–2

S=\int d^{4}x{\sqrt {-g}}\left[{\tfrac {1}{2}}m_{P}^{2}R-{\tfrac {1}{2}}\partial ^{\mu }\phi \partial _{\mu }\phi -V(\phi )-{\tfrac {1}{2}}\xi R\phi ^{2}\right]

,

с $\xi$ представляющий силу взаимодействия между $R$ и $\phi$ , которые соответственно относятся к кривизне пространства и величине поля инфлатона.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Гут, Алан Х. (1997). Инфляционная Вселенная: В поисках новой теории космического происхождения . Основные книги . стр. 233–234 . ISBN 978-0201328400 .
^ Стейнхардт, Пол Дж .; Турок, Нил (2007). Бесконечная Вселенная: За пределами взрыва . Случайный дом . п. 114. ИСБН 978-0-7679-1501-4 .
^ Стейнхардт, Пол Дж. (апрель 2011 г.). «Дебаты об инфляции: является ли теория, лежащая в основе современной космологии, глубоко ошибочной?» (PDF) . Научный американец . Архивировано из оригинала (PDF) 24 августа 2014 г. Проверено 31 декабря 2013 г.
^ Цудзикава, Синдзи (2003). «Вводный обзор космической инфляции». arXiv : hep-ph/0304257 .
^ «Инфляция» . Особого значения . 17 марта 2014 г. Проверено 3 августа 2024 г.
^ Нанопулос, Д.В.; Олив, Калифорния; Средницкий, М. (1983). «После первичной инфляции» (PDF) . Буквы по физике Б. 127 (1–2): 30–34. Бибкод : 1983PhLB..127...30N . дои : 10.1016/0370-2693(83)91624-6 .
^ Аткинс, Майкл (2011). «Может ли бозон Хиггса быть инфлатоном?» (PDF) .
^ Герцберг, Марк П. (2010). «Об инфляции с неминимальной связью». Журнал физики высоких энергий . 2010 (11): 23. arXiv : 1002.2995 . Бибкод : 2010JHEP...11..023H . дои : 10.1007/JHEP11(2010)023 . S2CID 54886582 .

[Guth1997-1] Jump up to: ^а ^б Гут, Алан Х. (1997). Инфляционная Вселенная: В поисках новой теории космического происхождения . Основные книги . стр. 233–234 . ISBN 978-0201328400 .

[2] Стейнхардт, Пол Дж .; Турок, Нил (2007). Бесконечная Вселенная: За пределами взрыва . Случайный дом . п. 114. ИСБН 978-0-7679-1501-4 .

[3] Стейнхардт, Пол Дж. (апрель 2011 г.). «Дебаты об инфляции: является ли теория, лежащая в основе современной космологии, глубоко ошибочной?» (PDF) . Научный американец . Архивировано из оригинала (PDF) 24 августа 2014 г. Проверено 31 декабря 2013 г.

[4] Цудзикава, Синдзи (2003). «Вводный обзор космической инфляции». arXiv : hep-ph/0304257 .

[5] «Инфляция» . Особого значения . 17 марта 2014 г. Проверено 3 августа 2024 г.

[6] Нанопулос, Д.В.; Олив, Калифорния; Средницкий, М. (1983). «После первичной инфляции» (PDF) . Буквы по физике Б. 127 (1–2): 30–34. Бибкод : 1983PhLB..127...30N . дои : 10.1016/0370-2693(83)91624-6 .

[7] Аткинс, Майкл (2011). «Может ли бозон Хиггса быть инфлатоном?» (PDF) .

[hertzberg12-8] Герцберг, Марк П. (2010). «Об инфляции с неминимальной связью». Журнал физики высоких энергий . 2010 (11): 23. arXiv : 1002.2995 . Бибкод : 2010JHEP...11..023H . дои : 10.1007/JHEP11(2010)023 . S2CID 54886582 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]