[論文レビュー] Brane Gas Cosmology and Loitering

Damien A. Easson|ArXiv.org|Nov 6, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、9+1次元のトーラス的宇宙におけるp-braneの高温・高密度ガスがT双対性および巻き付きモードの消失によって3+1次元時空を生成する、標準ビッグバンモデルの動的代替案としてブレインガス宇宙論（BGC）を提案する。主な結果は、巻き付きモードによる遅滞（loitering）がインフレーションを必要とせず、ホライズン問題とブレイン問題を解決することにある。

ABSTRACT

In Brane Gas Cosmology (BGC) the initial state of the universe is taken to be small, dense and hot, with all fundamental degrees of freedom near thermal equilibrium. This starting point is in close analogy with the Standard Big Bang (SBB) model. In the simplest example, the topology of the universe is assumed to be toroidal in all nine spatial dimensions and is filled with a gas of $p$-branes. The dynamics of winding modes allow, at most, three spatial dimensions to become large, providing a possible explanation to the origin of our macroscopic (3+1)-dimensional universe. Specific solutions are found within the model that exhibit loitering, i.e. the universe experiences a short phase of slow contraction during which the Hubble radius grows larger than the physical extent of the universe. This phase is studied by combining the dilaton gravity background equations of motion with equations that determine the annihilation of string winding modes into string loops. Loitering provides a solution to the brane problem (generalised domain wall problem) in BGC and the horizon problem of the SBB scenario. In BGC the initial singularity problem of the SBB scenario is solved, without relying on an inflationary phase due to the presence of the T-duality symmetry in the theory.

研究の動機と目的

• ストリング理論における次元の問題に取り組み、なぜ3つの空間次元だけが大きく拡張するかを動的に説明すること。
• 標準ビッグバンモデルの初期特異点問題とホライズン問題をインフレーションを仮定せずに解決すること。
• 人為的またはアドホックなコンactificationではなく、ストリング理論のダイナミクスに基づく宇宙論的枠組みを提供すること。
• トーラス的コンパクト化におけるp-braneの巻き付きモードが次元の再拡張を引き起こす仕組みを明らかにすること。
• T双対性およびドリンポン重力が特異点を回避し、特異的でない初期状態を可能にする役割を調査すること。

提案手法

• 9つの空間次元すべてにトーラス的トポロジーを仮定し、Type IIAストリング理論におけるp-braneガスを想定する。
• T双対性対称性を適用して、小さなコンパクト化と大きなコンパクト化を相互に変換することで初期特異点の存在を回避する。
• ドリンポン重力とブレインガス系が結合した系から背景の運動方程式を導出する。
• 巻き付きモードと反巻き付きモードの消失がストリングループに変換される過程を、主要な力学的プロセスとしてモデル化する。
• 持続的な巻き付きモードによって引き起こされるゆっくりとした収縮（遅滞）の段階をとる宇宙の解を分析する。
• 位相空間解析を用いて、遅滞を引き起こし、その後に膨張に移行するエネルギー的に許容される初期条件を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリング理論における動的メカニズムが、なぜ3つの空間次元だけが大きく拡張するかを説明できるか？
• RQ2 巻き付きモードによる遅滞（ゆっくりとした収縮）がインフレーションを必要とせずホライズン問題をどのように解決するか？
• RQ3 T双対性が宇宙論的モデルにおける初期特異点を回避するために果たす役割は何か？
• RQ4 巻き付きモードの消失とドリンポンダイナミクスは、質量生成とT双対性の破れとどのように関係するか？
• RQ5 ブレイン問題（持続的な巻き付きモード）は、ブレインガス宇宙論における遅滞段階によって解決可能か？

主な発見

• 巻き付きモードが持続すると、Hubble半径が宇宙の物理的サイズを上回るほどゆっくりとした収縮段階（遅滞）が生じる。
• 遅滞段階により、膨張が再開する前に大規模な距離にわたる因果的通信が可能となり、ホライズン問題が解決される。
• 巻き付きモードの消失は物質の生成を引き起こし、新たな膨張段階を誘発する。これは、3+1次元宇宙の自然な出現を説明する。
• T双対性対称性を活用することで、標準ビッグバンモデルの初期特異点を回避し、高温で小さな初期状態が低温で大きな双対状態にマッピングされる。
• 大きな空間次元の数は、巻き付きモードが自己消失可能なのは3+1次元に限ることから、観測された時空が自然に選ばれる条件として決定される。
• T双対性対称性の破れは、巻き付きモードの消滅と同時に起こると仮定され、ドリンポンの質量生成や超対称性の破れと関連している可能性がある。