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高能物理 - 现象学

arXiv:2505.08868 (hep-ph)
[提交于 2025年5月13日 ]

标题: 从暴胀到再加热的引力波全谱分析

标题: Full-Spectrum Analysis of Gravitational Wave Production from Inflation to Reheating

Authors:Xun-Jie Xu, Yong Xu, Qiqin Yin, Junyu Zhu
摘要: 在本工作中,我们系统地研究了在膨胀期和膨胀后时期引力波(GW)的产生。虽然膨胀期的GW可以很容易地从膨胀期间的张量扰动中得出,但膨胀后时期的GW则源自再加热期间的各种过程,并且需要详细的处理来进行定量分析。我们考虑了四种不同的产生通道:$(i)$纯膨胀子湮灭,$(ii)$由膨胀子衰变产生的引力子韧致辐射,$(iii)$由辐射催化引起的膨胀子-引力子转换,以及$(iv)$完全热化辐射粒子之间的散射。对于每个通道,我们求解相应的玻尔兹曼方程以获得GW谱,并推导出一个简单而准确的解析表达式。通过采用所有产生通道的一致处理方法,我们的分析首次得出了膨胀期和膨胀后时期产生的GW完整谱。我们发现,尽管在低频段膨胀期的GW占主导地位,但膨胀后的过程通常会产生高频率GW,这些GW具有相当高的能量密度,可能会显著超过膨胀期GW的能量密度。
摘要: In this work, we systematically study gravitational wave (GW) production during both the inflationary and post-inflationary epochs. While inflationary GWs can be readily derived from tensor perturbations during inflation, post-inflationary GWs arise from a variety of processes during reheating and require detailed treatment for quantitative analysis. We consider four distinct production channels: $(i)$ pure inflaton annihilation, $(ii)$ graviton bremsstrahlung from inflaton decay, $(iii)$ radiation-catalyzed inflaton-graviton conversion, and $(iv)$ scattering among fully thermalized radiation particles. For each channel, we solve the corresponding Boltzmann equation to obtain the GW spectrum and derive a simple yet accurate analytical expression for it. By employing a consistent treatment of all production channels, our analysis yields for the first time the full spectrum of GWs produced during the inflationary and post-inflationary epochs. We find that, while inflationary GWs dominate at low frequencies, post-inflationary processes generally produce high-frequency GWs with considerably high energy densities that may significantly exceed that of inflationary GWs.
评论: 45页,7幅图
主题: 高能物理 - 现象学 (hep-ph) ; 宇宙学与非星系天体物理学 (astro-ph.CO)
引用方式: arXiv:2505.08868 [hep-ph]
  (或者 arXiv:2505.08868v1 [hep-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.08868
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: MITP-25-036

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来自: Yong Xu [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 5 月 13 日 18:00:03 UTC (2,457 KB)
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