КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-12-00393
НазваниеНовые квантово-полевые теории и физика ранней Вселенной
РуководительМиронов Сергей Андреевич, Кандидат физико-математических наук
Прежний руководитель Рубаков Валерий Анатольевич, дата замены: 18.11.2022
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-706 - Космология и микрофизика
Ключевые словакосмология, теории за пределами Стандартной модели, темная материя, барионная асимметрия, инфляция, альтернативы инфляции, гравитация, ранняя и современная Вселенная
Код ГРНТИ29.05.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Сегодня исследования в области теоретической и наблюдательной космологии в совокупности с развитием физики частиц позволяют многое сказать об устройстве Вселенной в прошлом. Однако, остается целый ряд вопросов о различных этапах эволюции Вселенной, которые до сих пор не получили исчерпывающих ответов. Например, несмотря на все успехи теории инфляции, доступные экспериментальные данные не только не позволяют однозначно определить, какая модель инфляции верна, но и не дают возможность подтвердить, что такая фаза в истории Вселенной действительно имела место. Следует отметить, что с каждым годом появляется все больше наблюдательных данных, которые позволяют сузить круг жизнеспособных космологических моделей. Задачи данного проекта направлены на теоретическое исследование ряда аспектов различных моделей инфляции, а также на изучение космологических моделей, альтернативных инфляции или дополняющих ее.
Описание ранней Вселенной требует новых теоретических построений как на классическом уровне, так и в квантовой теории поля. В частности, в любом предложенном сценарии мы, как правило, имеем дело с неперенормируемыми теориями и модифицированной гравитацией. Это относится как к моделям инфляции, так и к их альтернативам: Вселенной с отскоком или Вселенной, начинающейся с фазы генезиса. Работа с неперенормируемыми теориями должна производиться с высокой степенью аккуратности в отношении их самосогласованности, устойчивости и применимости в том диапазоне энергий, в котором они необходимы для описания космологии. Проект посвящен изучению этих проблем, возникающих в различных контекстах. Целью проекта является формулировка новых самосогласованных квантово-полевых теорий, разработка новых методов и подходов в классической и квантовой теории поля, которые позволили бы расширить представления о возможных вариантах эволюции Вселенной до горячей стадии. Эти исследования имеют большое значение в целом, а их приложения к конкретным моделям, которые в настоящее время являются передовыми в литературе, в высокой степени актуально.
Ряд задач Проекта нацелен на изучение, безотносительно к космологии, характерных свойств скалярно-тензорных теорий поля, как предложенных в последнее время, так
и тех, что будут построены в процессе реализации Проекта. Это позволит разработать новые или усовершенствовать уже существующие методы построения и анализа различных решений в скалярно-тензорных теориях. Результаты указанных исследований найдут применение далеко за пределами данного Проекта.
Среди проблем, связанных с построением новых квантово-полевых моделей в рамках данного Проекта, следует отметить: изучение нового класса преобразований метрики (обобщенных дисформных преобразований) и построение на их основе новых скалярно-тензорных теорий, свободных от духов Остроградского; построение различных версий теорий гравитации со скалярным полем, метрикой и кручением, обобщающих скалярно-тензорные теории Хорндески со вторыми производными в действии; исследование ограничений, следующих из условий унитарности, в применении к новым квантово-полевым теориям, используемым для построения космологических моделей. С точки зрения развития теории инфляции и пост-инфляционного разогрева, предусмотренного в Проекте, необходимо отметить исследование взрывного разогрева в теории Хиггс-инфляции с учетом обратного влияния рожденных частиц и, в частности, генерации гравитационных волн на этом этапе, а также изучение возможности построения инфляционных моделей без начальной сингулярности, но с полной стадией де Ситтера в удаленном прошлом, в теориях, удовлетворяющих изотропному условию энергодоминантности. В направлении, связанном с построением моделей, альтернативных инфляции, особо следует отметить решаемую в Проекте задачу поиска и исследования конкретных версий теории Хорндески, допускающих непротиворечивые космологические решения с отскоком и обеспечивающих генерацию первичных космологических возмущений со свойствами, согласующимися с наблюдательными данными. Кроме того, в Проекте предусмотрен полный анализ решений типа кротовой норы в расширенной теории Хорндески на предмет наличия или отсутствия высокоэнергичных неустойчивостей (духов и градиентных нестабильностей).
Тематика исследований Проекта возникла всего несколько лет назад и испытывает бурное развитие в мире. Вклад научной группы, участвующей в Проекте, хорошо известен и признан. Результаты Проекта, несомненно, будут иметь высокую степень новизны и актуальности, соответствуя международному уровню, а в большинстве направлений будут определять мировой уровень.
Ожидаемые результаты
В рамках данного проекта предполагается продолжить начатое в Проекте 2019 изучение стадии разогрева после эпохи инфляции на поле Хиггса. В частности, планируется разработать методы, позволяющие описывать неравновесное образование частиц и обратную реакцию на классическую динамику. Будет найден спектр гравитационных волн, генерированных в эпоху разогрева. Будет исследована проблема, связанная с получением аксионного решения проблемы нарушения CP-симметрии в сильных взаимодействиях, совместимого с инфляцией с большим полем.
Кроме этого, будет изучена связь между возможными поправками из квантовой гравитации и потенциально наблюдаемыми эффектами в гравитационных волнах, что является новым подходом, который еще не был сколько-нибудь детально изучен. Такая работа интересна в качестве теоретической мотивации для разработки технологий регистрации гравитационных волн в новых областях спектра для будущих наземных и космических детекторов.
В части проекта, посвящённой исследованиям различных решений в скалярно-тензорных теориях со старшими производными полей типа Хорндески, предполагается построение конкретных примеров моделей с космологическим сценариям типа отскока, а также решений, соответствующих сферически-симметричной кротовой норе. Основной акцент в данных исследованиях ставится на отсутствии патологий на линеаризованном уровне теории, а также дальнейшем применении предлагаемых сценариев для построения реалистичных моделей ранней Вселенной, согласующихся с доступными наблюдательными данными. Кроме этого, планируется исследовать скалярно-тензорные теории со старшими производными с целью разработки новых методов поиска феноменологически жизнеспособных классов таких теорий. Также в рамках теорий со старшими производными отдельным направлением является изучение ограничений на параметры низкоэнергетической теории, следующих из требования унитарности соответствующей эффективной теории при высоких энергиях.
Ожидается, что выполнение проекта приведет к существенному вкладу в развитие теорий модифицированной гравитации и физики ранней Вселенной. Полученные в ходе работы над проектом оригинальные результаты будут соответствовать мировому уровню, а в большинстве направлений определять мировой уровень. Результаты будут опубликованы в виде статей в ведущих международных научных журналах и представлены на ведущих международных конференциях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследования коллектива гранта в 2022 г. были направлены на изучение космологических моделей инфляции и ранней Вселенной, а также решений, описывающих компактные гравитационные объекты в теориях модифицированной гравитации.
Было проведено исследование сценария, в котором дилатонное поле в модели Хиггс-дилатон способно решить сильную СР-проблему в КХД аналогично тому, как это делается в аксионных моделях КХД. Было показано, что дилатон может образовывать темную материю после низкоэнергетичной инфляции. Была построена конкретная реализация данной концепции в виде эффективной теории поля с инфляцией на поле Хиггса в формализме Палатини, в которой аксион-дилатонная тёмная материя совместима со всеми наблюдательными данными по реликтовому излучению без нарушения унитарности, а также найдено пространство допустимых параметров данной модели.
Существенная часть задач Проекта связана с изучением различных космологических решений и компактных гравитационных объектов в скалярно-тензорных теориях модифицированной гравитации. С использованием различным аналитических подходов были исследованы свойства различных подклассов теории Хорндески и их расширений, а также предложен ряд новых космологических моделей с отскоком и генезисом с различными характеристиками и наблюдательными предсказаниями. Например, для модели отскока в теории Хорндески был изучен процесс генерации космологических возмущений, вычислены амплитуда и наклон спектров первичных скалярных и тензорных возмущений, которые согласуются с последними наблюдательными данными экспериментов Planck и BICEP/Keck, что указывает на возможность построения реалистичных моделей ранней Вселенной с использованием указанных сценариев. Кроме этого, в рамках расширенной теории Хорндески была предложена модель статической, сферически-симметричной кротовой норы, которая устойчива на линеаризованном уровне по отношению к высокоэнергетичным возмущениям.
Также были проведены детальные исследования свойств теории Хорндески-Картана на линеаризованном уровне, где динамическое кручение приводит к нетривиальному набору динамических степеней свободы и возможному нестандартному поведению возмущений.
Публикации
1. Агеева Ю.А., Петров П.К. On the strong coupling problem in cosmologies with “strong gravity in the past” Modern Physics Letters A, Mod.Phys.Lett.A 37 (2022) 26, 2250171 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1142/S0217732322501711
2. Агеева Ю.А., Петров П.К. Unitarity relation and unitarity bounds for scalars with different sound speeds Успехи физических наук, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3367/UFNr.2022.11.039259
3. Агеева Ю.А., Петров П.К. Generating cosmological perturbations at Horndeski bounce Arxiv, e-Print: 2207.04071 (год публикации - 2022)
4. Белоконь А.И., Токарева А.А. Higgs-dilaton model revisited: can dilaton act as QCD axion? Arxiv, e-Print: 2212.06739 (год публикации - 2022)
5. Миронов С.А., Рубаков В.А., Волкова В.Е. In hot pursuit of a stable wormhole in beyond Horndeski theory Arxiv, e-Print: 2212.05969 (год публикации - 2022)
6. Миронов С.А., Штенникова А.М. Stable cosmological solutions in Horndeski theory Arxiv, e-Print: 2212.03285 (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследования коллектива гранта в 2023 г. были направлены на изучение космологических моделей инфляции и ранней Вселенной, а также решений, описывающих компактные гравитационные объекты в теориях модифицированной гравитации.
Был построен ряд космологических моделей в рамках скалярно-тензорных теорий со старшими производными. Так, в теории Хорндески был предложен сценарий Вселенной с отскоком для случая однородного, анизотропного фона и исследована устойчивость такого решения. Также был предложен космологический сценарий замкнутой Вселенной, которая на поздних временах испытывает инфляционное расширение, а на ранних практически стационарна (или сжимается). Были исследованы спектры возмущений в таких моделях, а также проверено выполнение критериев устойчивости решений. Кроме этого, для общей модели k-инфляции были сформулированы условия применимости классического описания, а также были изучены механизмы генерации первичных возмущений в режиме, в котором фоновая эволюция метрики и возмущений описывается в рамках классической теории поля.
Также для произвольного статического, сферически-симметричного решения в расширенной теории Хорндески был сформулирован полный набор условий устойчивости на линеаризованном уровне. С их помощью было построено модифицированное решение в виде статической кротовой норы, которое является устойчивым по отношению к высокоэнергиным модам. Кроме этого, в младшем подклассе теории Хорндески были получены условия устойчивости в случае динамического сферически-симметричного фона. Показано, что запрещающая теорема для устойчивых несингулярных решений обобщается на этот случай в предположении о слабой зависимости от одной из координат.
В теории Хорндески с кручением было построено всюду устойчивое решение с космологическим отскоком. Также была сформулирована и доказана теорема, запрещающая всюду устойчивые несингулярные решения, на фоне которых не возникали бы сверхсветовые возмущения хотя бы в какой-то период эволюции.
Публикации
1. Агеева Ю.А., Петров П.К., Рубаков В.А. Generating cosmological perturbations in non-singular Horndeski cosmologies Journal of high energy physics, JHEP 01 (2023) 026 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/JHEP01(2023)026
2. Белоконь А.И., Токарева А.А. Higgs-dilaton model revisited: Can a dilaton act as a QCD axion? Physical review D, Phys.Rev.D 107 (2023) 12, 123503 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.107.123503
3. Миронов С.А., Валенсия-Виллегас М.Х. Quartic Horndeski-Cartan theories in a FLRW universe Physical review D, Phys.Rev.D 108 (2023) 2, 024057 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.024057
4. Миронов С.А., Волкова В.Е. In hot pursuit of a stable wormhole in beyond Horndeski theory Physical review D, Phys.Rev.D 107 (2023) 10, 104061 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.107.104061
5. Миронов С.А., Штенникова А.М. Stable cosmological solutions in Horndeski theory Journal of cosmology and astroparticle physics, JCAP 06 (2023) 037 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1088/1475-7516/2023/06/037
6. Агеева Ю.А., Петров П.К. K-inflation: the legitimacy of classical treatment Arxiv, Arxiv: 2310.18402 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.18402
7. Миронов С.А., Валенсия-Виллегас М.Х. Stability of nonsingular Cosmologies in Galileons with Torsion. A No-Go for eternal subluminality Arxiv, Arxiv: 2307.06929 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.06929
8. Миронов С.А., Волкова В.Е. DPSV trick for spherically symmetric backgrounds Arxiv, Arxiv: 2306.17791 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.17791
9. Миронов С.А., Штенникова А.М. Perturbations in Horndeski theory above anisotropic cosmological background Arxiv, Arxiv: 2305.19171 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.48550/arXiv.2305.19171
Возможность практического использования результатов
-