宇宙引力粒子产生：Starobinsky 与 Bogolyubov 方法比较、不确定性与问题

我们研究了在膨胀期间自由且弱相互作用标量场的产生，采用 Bogolyubov 系数和 Starobinsky 随机方法。虽然这两种方法在膨胀时间无限长的极限下得到一致结果，但 Starobinsky 方法更适用于研究现实情形，即膨胀持续时间有限且标量场存在非平凡初始条件。我们发现，产生粒子的数量对前膨胀初始条件高度敏感，导致数个数量级的不确定性。尽管如此，可以获得粒子产生的下界。高能量尺度的膨胀对粒子产生非常高效，这导致对质量小于膨胀哈伯率的稳定标量粒子存在强烈约束。例如，仅当其质量小于伏特或再热温度在 GeV 范围或更低时，才允许自由稳定标量。我们发现粒子产生数量具有普适尺度行为，涵盖自由标量、弱相互作用标量以及与引力小非最小耦合的标量。这些考虑在非热暗物质背景下尤为重要，因为膨胀产生的粒子为其他产生机制提供不可消除的背景。