Введение к работе
Актуальность темы. Наблюдательные данные в космологии достигли такого уровня объема и точности [Percival et al, 2007, Riess et al, 2004, Larson et al, 2010, Komatsu et al, 2011], который позволяет конструктивно изучать детали динамики и эволюции Вселенной в тесной взаимосвязи с квантовой теорией поля в искривленном пространстве-времени и физикой элементарных частиц. Это делает постановку задачи моделирования инфляции ранней Вселенной, вопросы теории гравитации и масштаба космологической постоянной актуальными как с теоретической точки зрения, так и с феноменологической.
Стандартная космологическая модель включает в себя стадию ускоренного инфляционного расширения ранней Вселенной за счет медленного скатывания скалярного поля (или нескольких полей) из возбужденного состояния в минимум своего потенциала [Guth, 1981, Линде, 1990, Linde, 1983, Linde, 1982, Горбунов, Рубаков, 2006]. Данная модель активно применяется для объяснения наблюдательных данных по крупномасштабной структуре Вселенной, угловой анизотропии реликтового излучения и барионным акустическим колебаниям [Горбунов, Рубаков, 2009, De Simone, 2008]. Но, в свою очередь, при высокой точности космологических данных требуется пристальное изучение динамики инфляционного расширения Вселенной и определения параметров потенциала поля инфлатона, ответственного за ускоренное расширение Вселенной. В этих целях мы применяем новый метод квазиаттрактора - параметрического аттрактора на фазовой плоскости скалярного поля с медленным дрейфом параметров в ходе эволюции Вселенной [Urena-Lopez, Reyes-Ibarra, 2009], который дает способ не только аналитического описания динамики инфляции, но также и момента выхода Вселенной из состояния инфляции с последующим переходом к колебанию поля инфлатона, порождающего разогрев Вселенной и стадию Большого взрыва. Также, в последнее время рассматривается вопрос о возможности участия скалярного поля Хиггса в инфляционном расширении Вселенной [Bezrukov, Shaposhnikov, 2008]. Поэтому актуален вопрос вычисления параметров скалярного поля инфлатона с помощью нового метода квазиаттрактора, а также исследование различных вариантов космологической роли бозона Хиггса Стандартной модели при минимальной связи этого поля с гравитацией.
В 2010 году появилось множество статей, касающихся голографического подхода в термодинамической формулировке теории гравитации. Всплеск статей последовал за работами Э.Верлинде и Т.Падманабана [Verlinde, 2011, Padmanabhan, 2010], в которых были физически ясно сформулированы постулаты такого подхода, эквивалентного общей теории относительности (по крайней мере для статических систем) на основе принципа эквивалентности гравитации силам инерции, введения температуры Унру на поверхности с постоянным значением ускорения свободного падения - голографического экрана - и трактовки силы тяготения как энтропийной силы, задаваемой смещением пробного тела относительно голографического экрана. Наличие термодинамического взгляда на гравитацию позволяет более гибко подойти к вопросу возможности введения модификации закона тяготения с новой точки зрения. В связи с этим возникает задача более подробного рассмотрения термодинамической энтропии голографических горизонтов (экранов), так же как и исследование таких горизонтов при экстремально малых ускорениях свободно падения, которые возникают при рассмотрении движения звезд в спиральных галактиках в области выполаживания кривых вращения [Milgrom, 1983], т.е. доминирования темной материи. Тем более, что имеются феноменологические указания на возможность модификации закона тяготения Ньютона, которая динамически обеспечивала бы выполнение закона Тулли-Фишера для связи видимой массы галактики со скоростью вращения в области гало темной материи [Tully, Fisher, 1977]. Это нашло отражение в предложенной М.Мильгромом модели модифицированной ньютоновской динамики (MOND) [Milgrom, 1983], для которой существует обобщение в рамках классической теории поля для гравитации при наличии дополнительных скалярных и векторных гравитационных полей [Bekenstein, 2004, Moffat, 2006].
В настоящее время в мировой литературе интенсивно обсуждается тема неестественно малой величины космологической постоянной [Riess et al., 1998, Schmidt et al, 1998] по сравнению с масштабами, характерными для физики элементарных частиц. Так что построение моделей, обладающих привлекательными свойствами с точки зрения объяснения механизма возникновения малой космологической постоянной, является актуальной проблемой.
Цели и задачи работы. Целью работы является исследование метода квазиаттрактора в изучении динамики расширения Вселенной, вычисление поверхностной плотности энтропии голографических горизонтов, а также их поведения при малых ускорениях свободного падения, а именно модель модификации закона тяготения за счет поправок к равновероятному распределению энергии по модам гравитационных степеней свободы на голографическом экране при низких температурах, а также исследование моделей космологической постоянной.
Данная цель предполагает решение следующих задач:
нахождение уравнений движения в аналитической форме для эволюции Вселенной с присутствием только скалярного поля инфлатона, рассмотрение инфляционного режима, вычисление характеристик расширения Вселенной: скачка пространственного масштаба за время инфляции, параметров квантовых флуктуации скалярного поля инфлатона в конце инфляции, сравнение данных с экспериментом для оценки физических параметров поля инфлатона;
исследование возможности осуществления инфляции бозоном Хиггса при его минимальной связи с гравитацией, вычисление пороговой массы для бозона Хиггса в космологии, вычисление петлевых поправок к критической массе Хиггса;
вычисление поверхностной энтропии голографического экрана на основе постулатов, предложенных Э.Верлинде, исследование голографического экрана при низких температурах, соответствующих малым ускорениям, на основе метода Дебая в физике твердого тела, модификация закона тяготения;
исследование модели виртуальных доменных стенок, разделяющих два вакуумных состояния, рассмотрение двухуровневой квантовой системы как модели для механизма формирования вакуума с малой плотностью энергии, отвечающей космологической постоянной, которая может быть согласована с наблюдаемым значением;
проведение однопетлевых расчетов в модели инфляционной релаксации космологической постоянной - модели космологического бутстрапа.
Научная новизна. Во-первых, новый метод квазиаттрактора в исследовании динамики инфляции Вселенной обобщен с квадратичного потенциала скалярного поля на случай потенциала перенормированного типа с двумя параметрами: масса и вакуумное среднее. Данным методом были вычислены параметры потенциала инфлатона, которые согласуются с наблюдательными данными. Также была рассмотрена возможность осуществления режима инфляции скалярным полем бозона Хиггса при его минимальной связи с гравитацией в различных сценариях. Впервые была получена оценка ограничений массы бозона Хиггса из космологических данных, более сильная, чем ограничения, следующие из физики элементарных частиц. Во-вторых, на основе постулатов энтропийного подхода к гравитации выведена универсальная связь площади поверхности голографического горизонта с гравитационной энтропией. А также выведена модификация закона тяготения при малых значениях ускорения свободного падения. В-третьих, был предложен новый механизм смешивания вакуумов для объяснения проблемы малости космологической постоянной. В-четвертых, обоснована модель космологической постоянной в ходе инфляции.
Теоретическая и практическая значимость. Насущными проблемами в современной космологии являются модель инфляционного расширения и проблема объяснения механизма возникновения космологической постоянной. Новые подходы к описанию механизма инфляционного расширения Вселенной, которые дают возможность аналитического вычисления параметров потенциала поля инфлатона и их сравнения с результатами других моделей, несомненно важны для космологии в целом. Феноменологическое объяснение возникновения космологической постоянной является попыткой решения сложнейшей проблемы наблюдательной космологии, ведь теоретические оценки космологической постоянной, следующие из физики элементарных частиц, дают, наверное, самое чудовищное расхождение теории и эксперимента. Результаты данной работы могут применяться как для интерпретации космологических данных по влиянию инфляции на характеристики Вселенной, так и при анализе и интерпретации физического содержания результатов поиска бозона Хиггса в коллайдерных экспериментах.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались
на следующих конференциях:
Конференция ИТЭФ секции ядерной физики отделения физических наук РАН г. Москва (2009),
Международная конференция "Quarks-2010" ИЯИ РАН в г. Коломна МО (2010),
International Conference on High Energy Physics, Paris, July 21-28, 2010,
Семинары ОТФ ИФВЭ.
Публикации. Список публикаций автора по теме диссертации включает в себя 6 статей в реферируемых научных журналах и 1 доклад в трудах конференции. Список приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. В диссертации представлены только те результаты, в получение которых автор внес существенный вклад.
Структура и объем диссертации. Текст диссертации включает в себя введение, четыре главы с приложениями и заключение, список цитируемой литературы. Полный объем диссертации 153 страницы. Список литературы включает 140 наименований.
Похожие диссертации на Модельное изучение динамики инфляции, гравитации и космологической постоянной
