Inflasi Tanpa Inflaton: Integrasi Torsi Einstein-Cartan dan Fluktuasi Tensor Gravitasi Danielle BertaccaÂ
Abstrak
Inflasi kosmologis tanpa inflaton memberikan perspektif baru dalam memahami fase awal semesta dengan memanfaatkan fluktuasi tensor gravitasi pada ruang-waktu de Sitter. Dalam penelitian ini, kami memperluas pendekatan tersebut dengan mengintegrasikan teori Einstein-Cartan, yang memungkinkan torsi dan rotasi ruang-waktu berperan langsung dalam mekanisme inflasi.
Kami menunjukkan bahwa torsi, melalui koneksi Cartan, menghasilkan efek rotasi global yang memodifikasi evolusi fluktuasi tensor gravitasi. Efek ini memperkuat fluktuasi tensor untuk menciptakan spektrum daya skala-invarian, konsisten dengan pengamatan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB). Selain itu, rotasi global yang dimodelkan melalui torsi memberikan kontribusi unik pada anisotropi skala besar dan meninggalkan tanda non-Gaussianitas pada distribusi galaksi.
Efek rotasi dari Einstein-Cartan juga mempercepat ketidakstabilan ruang de Sitter, memungkinkan transisi alami ke fase dominasi radiasi tanpa memerlukan mekanisme tambahan. Model ini tidak hanya memberikan prediksi baru tentang anisotropi dan distribusi materi, tetapi juga menawarkan kerangka kerja teoritis untuk menjelaskan tension kosmologi, seperti Hubble tension dan S8 tension, dengan memasukkan efek rotasi dan torsi pada skala kosmologis.
Hasil penelitian ini membuka peluang baru untuk menguji keberadaan torsi dan rotasi global melalui observasi kosmologi presisi, serta memberikan landasan baru bagi teori inflasi yang sepenuhnya bergantung pada sifat geometri ruang-waktu.
1. Pendahuluan
Inflasi kosmologis adalah salah satu teori kunci dalam memahami fase awal semesta. Model tradisional inflasi didasarkan pada keberadaan medan skalar inflaton, yang bertanggung jawab untuk mempercepat ekspansi alam semesta dalam waktu singkat. Model ini berhasil menjelaskan sejumlah pengamatan kosmologis, seperti isotropi radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) dan spektrum daya skala besar yang mendekati skala-invarian. Namun, model berbasis inflaton menghadapi beberapa tantangan teoretis. Salah satu tantangan utama adalah ketergantungannya pada parameter model yang halus (fine-tuning), serta kurangnya bukti eksperimental yang mendukung keberadaan inflaton sebagai partikel fundamental dalam fisika kuantum.
Sebagai alternatif, makalah "Inflation Without an Inflaton" karya Danielle Bertacca, yang diterbitkan di jurnal arXiv pada 24 Desember 2024, memperkenalkan mekanisme inflasi baru yang menghilangkan kebutuhan akan medan skalar inflaton. Dalam makalah tersebut, inflasi dihasilkan dari fluktuasi tensor gravitasi pada ruang-waktu de Sitter tanpa memerlukan komponen energi tambahan. Mekanisme ini tidak hanya menghasilkan spektrum daya skala-invarian, tetapi juga secara alami menyediakan mekanisme transisi dari fase inflasi ke fase dominasi radiasi melalui ketidakstabilan ruang de Sitter. Paper ini menunjukkan bahwa fluktuasi tensor gravitasi dapat menciptakan fluktuasi skalar secara efektif melalui efek orde kedua, membuka perspektif baru dalam teori inflasi.
Dalam penelitian ini, kami memperluas pendekatan Bertacca dengan memasukkan teori Einstein-Cartan, yang merupakan generalisasi dari relativitas umum. Dalam Einstein-Cartan, ruang-waktu tidak hanya memiliki kelengkungan, tetapi juga torsi, yang memungkinkan ruang-waktu memiliki properti tambahan berupa momentum sudut intrinsik. Torsi diperkenalkan melalui koneksi Cartan, yang menggantikan koneksi Levi-Civita dalam perhitungan geometri ruang-waktu. Salah satu implikasi utama dari torsi adalah kemampuannya untuk menghasilkan rotasi global ruang-waktu, yang dapat berinteraksi langsung dengan fluktuasi tensor gravitasi untuk menciptakan dinamika inflasi yang unik.
Fluktuasi tensor gravitasi, seperti yang diuraikan dalam paper Bertacca, memberikan kontribusi signifikan terhadap dinamika ruang-waktu awal. Pada ruang de Sitter, fluktuasi tensor gravitasi memengaruhi distribusi energi-momentum, menghasilkan spektrum daya skala-invarian yang sesuai dengan pengamatan CMB. Dalam konteks Einstein-Cartan, fluktuasi tensor ini diperkuat oleh torsi, menghasilkan efek tambahan berupa anisotropi dan rotasi global. Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa interaksi antara fluktuasi tensor gravitasi dan properti ruang-waktu dapat meninggalkan tanda-tanda unik, seperti non-Gaussianitas pada struktur skala besar.
