[論文レビュー] Can we have a stringy origin behind $\\Omega_\\Lambda(t)\\propto \\Omega_m(t)$?

Tirthabir Biswas, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ストリング理論に由来するモデルを提案しており、動的なスカラー場（おそらくラディオンまたはデュアロン）が、標準模型粒子と寒冷黒鉛物質と異なる方法で結合することで、暗黒エネルギー密度 ΩΛ(t) が物質密度 Ωm(t) を自然に追跡する追従的挙動を示す。これにより、観測されたオーダー・オブ・マグニチュードの比 Ωm/ΩΛ ≈ 0.37 と、微調整を要しない最近の宇宙の加速が説明できる。

ABSTRACT

Inspired by the current observations that the ratio of the abundance of dark energy $\\Omega_{\\Lambda}$, and the matter density, $\\Omega_{m}$, is such that $\\Omega_{m}/\\Omega_{\\Lambda}\\sim 0.37$, we provide a string inspired phenomenological model where we explain this order one ratio, the smallness of the cosmological constant, and also the recent cosmic acceleration. We observe that any effective theory motivated by the higher dimensional physics shall provide radion/dilaton couplings to the standard model and dark matter components. Provided this is a dynamical field we show that $\\Omega_{\\Lambda}(t)$ tracks $\\Omega_{m}(t)$. Moreover, since the dilaton/radion couplings could be different for cold dark matter and relativistic SM species, we explain why we are experiencing cosmic acceleration today as opposed to say during the radiation era.

研究の動機と目的

• 観測された真空エネルギー密度の小ささを説明することで、宇宙定数問題を解決すること。
• ダークエネルギーが非常に小さいにもかかわらず、今日にかけて支配的であるという「なぜ今か」の一致問題を解消すること。
• ストリング理論のコンパクト化に基づく現象論的モデルを構築し、ダークエネルギーと物質密度の時間発展を動的に結びつけること。
• 標準模型（SM）とダークマターに対して異なる結合を持つ単一のスカラー場が、遅い時期に ΩΛ(t)∝Ωm(t) を自然に生み出すことができることを示すこと。

提案手法

• 高次元的理論を想定し、安定化されたモジュール場 Q（例えばラディオン／デュアロン）が、SM およびダークマターと異なる強さのパrameter μi で結合するものとする。
• 有効ポテンシャル Veff(Q) = V(Q) + Σᵢ e²μᵢQρi を導出する。ここで ρi は物質／放射成分の裸のエネルギー密度である。
• ゆっくりとしたスロールのダイナミクスを可能にするために、V(Q) = V₀e⁻²βQ（β > 0）というランナウェイ・ポテンシャルを用いる。
• ロバートソン＝ウォーカー計量下で、Friedmann 方程式および Q と ρi の時間発展方程式を解く。
• フェルミオン、ゲージボソン、スカラーにそれぞれ異なる結合（μf, μr, μs）を課し、結合定数の異なる時間的変化を導く。
• μr ≪ μc かつ μr/β ∼ 10⁻³ のとき、モデルが α 変動に関する BBN 制約を満たすことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリング理論的スカラー場が、微調整を要せず、観測された比 Ωm/ΩΛ ≈ 0.37 を説明できるか？
• RQ2 最近のダークエネルギーの優位性は偶然か、それとも物質への動的結合から生じるか？
• RQ3 標準模型とダークマターに対して異なる結合を持つ単一のスカラー場が、物質支配期に ΩΛ(t)∝Ωm(t) を生み出せるか？
• RQ4 量子補正と第五力の制約は、このようなモデルの妥当性にどのように影響するか？
• RQ5 コンパクト化されたストリング理論におけるモジュールダイナミクスによって、宇宙定数の観測的小ささを説明できるか？

主な発見

• モデルは、有効ポテンシャルが物質密度を微分的結合を通じて追跡する動的なスカラー場 Q によって、ΩΛ(t)∝Ωm(t) を達成する。
• μr/β ∼ 10⁻³ のとき、Ωm/ΩΛ ≈ 0.37 は自然に説明され、α 変動に関する BBN 制約と整合的である。
• 赤方偏移 z_accel ∼ O(1) の遅い時期の加速を予測し、現在の観測と一致する。
• 構成定数の変動は ∆α/α ≈ −0.06 から 0.02（95%信頼区間）に制限され、BBN の境界を満たす。
• 重力定数と結合定数は Q を通じて時間的に変化するが、チャメレオン型スクリーニングのおかげで第五力実験と整合的である。
• モデルはモジュール結合を通じて有効真空エネルギーを動的に安定化することで、宇宙定数問題を回避する。