인플라톤

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1. 개요

인플라톤은 우주론적 인플레이션 이론에서 팽창하는 진공 상태, 상전이, 완만한 롤링 및 재가열의 세 단계를 거쳐 일어나는 현상을 설명하는 입자이다. 인플레이톤장은 양자화되어 인플라톤으로 알려진 장 양자를 생성하며, 인플라톤의 정체는 명확하지 않지만 단일 장일 가능성이 높다. 또한, 인플라톤을 중력에 결합시키는 비최소 결합 인플레이션 모델도 존재한다.

인플라톤

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1. 개요
2. 우주론적 인플레이션
3. 장 양자
4. 정체
5. 비최소 결합 인플레이션

2. 우주론적 인플레이션

인플라톤의 기본 모델은 다음 세 단계로 진행된다.

* 팽창하는 진공 상태와 높은 포텐셜 에너지
* 참 진공으로의 상전이
* 완만한 롤링 및 재가열

2.1. 팽창하는 진공 상태와 높은 퍼텐셜 에너지

양자장론에서 진공 또는 [[진공 상태]]는 국소적으로 최소 포텐셜 에너지를 갖는 양자장 상태이다. 인플레이션 우주론은 인플레이톤장의 영이 아닌 진공 기댓값에 의해 유발된, 매우 큰 진공 에너지를 가진 진공 상태가 존재한다고 가정한다. 이 상태에 있는 공간의 모든 영역은 빠르게 팽창한다. 초기에는 비어 있지 않더라도 (일부 입자가 포함되어 있음), 매우 빠른 지수적 팽창은 이전에 존재했을 수 있는 모든 입자를 본질적으로 0 밀도로 희석시킨다.

2.2. 참 진공으로의 상전이

인플레이션 이론에 따르면 "인플레이션 진공" 상태는 전역적으로 가장 낮은 에너지를 가진 상태가 아니다. 오히려 이는 준안정 상태인 "허위 진공"이다.

임의의 공간 지점에서 각 관찰자에게 허위 진공은 결국 동일한 퍼텐셜 에너지를 갖지만 진공이 아닌 상태로 터널링된다(이는 퍼텐셜 에너지의 국소 최소값에 있지 않으며, "붕괴"될 수 있다). 이 상태는 다수의 인플라톤 입자로 채워진 참 진공으로 볼 수 있다. 그러나 참 진공의 팽창률은 그 순간 변하지 않는다. 지수적 특성만 FLRW 계량의 훨씬 느린 팽창으로 바뀐다. 이는 팽창률이 에너지 밀도와 정확히 일치하도록 보장한다.

2.3. 완만한 롤링 및 재가열

진공 상태에서 인플라톤 입자는 붕괴하여 결국 관측된 표준 모형 입자를 생성한다. 거짓 진공 상태에서 "터널 출구" 근처의 퍼텐셜 에너지 함수의 모양은 완만한 기울기를 가져야 한다. 그렇지 않으면 입자 생성이 팽창하는 진공 버블의 경계에 국한되어 관측과 모순된다(우리가 주변에서 보는 우주는 거대한 완전히 빈 버블로 구성되어 있지 않다). 즉, 양자 상태는 "천천히 바닥으로 굴러가야" 한다.

완전한 인플라톤 입자의 붕괴는 공간을 뜨겁고 밀도가 높은 빅뱅 플라스마로 채운다.

3. 장 양자

모든 다른 양자장과 마찬가지로 인플라톤장의 여기는 양자화될 것으로 예상된다. 인플라톤장의 장 양자는 인플라톤으로 알려져 있다. 모델링된 포텐셜 에너지 밀도에 따라 인플라톤장의 바닥 상태는 0일 수도 있고 아닐 수도 있다.

"인플라톤"이라는 용어는 광자, 글루온, 보손, 페르미온과 같은 다른 양자 입자의 이름의 전형적인 스타일을 따른다. 이 용어는 "팽창"이라는 단어에서 파생되었다. 이 용어는 1983년 논문에서 처음 사용되었다.

4. 정체

모든 다른 양자장과 마찬가지로 인플라톤장의 여기(excitation)는 양자화될 것으로 예상된다. 인플라톤장의 장 양자는 인플라톤이라고 부른다. 모델링된 포텐셜 에너지 밀도에 따라 인플라톤장의 바닥 상태는 0일 수도 있고 아닐 수도 있다.

"인플라톤"이라는 용어는 광자, 글루온, 보손, 페르미온과 같은 다른 양자 입자 이름의 전형적인 스타일을 따른다. 이 용어는 "팽창"이라는 단어에서 파생되었다.

인플라톤장의 본질은 현재 알려져 있지 않다. 그 특성을 좁히는 데 대한 장애물 중 하나는 현재의 양자 이론이 선택된 이론의 입자 내용을 기반으로 관측된 진공 에너지를 정확하게 예측할 수 없다는 것이다 (진공 참사 참조).

Atkins (2012)는 새로운 장이 필요하지 않을 수 있으며, 힉스 장의 수정된 버전이 인플라톤 역할을 할 수 있다고 제안했다. 인플라톤의 정체는 명확하지 않지만, 최근 연구에서는 단일 장일 가능성이 높다고 여겨지고 있다. 암흑 물질, 암흑 에너지와 함께, 그 정체의 해명은 우주론에서 중요하다고 생각된다.

5. 비최소 결합 인플레이션

비최소 결합 인플레이션은 인플레이션 모형으로, 중력을 인플레이톤 장에 결합시키는 상수가 작지 않은 모형이다. 결합 상수는 일반적으로 $\xi$ (문자 xi)로 나타내며, 이는 작용에 나타난다(아인슈타인-힐베르트 작용을 수정하여 구성됨).

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

여기서 $\xi$ 는 $R$ 과 $\phi$ 간의 상호작용 강도를 나타내며, 각각 공간의 곡률과 인플레이톤 장의 크기와 관련이 있다.