[論文レビュー] Chain Early Dark Energy: Solving the Hubble Tension and Explaining Today's Dark Energy

Katherine Freese, Martin Wolfgang Winkler|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、エネルギーが低下する一連のメタ安定な真空を通じて連続的に一次相転移を経る、チェーン早期ダークエネルギー（Chain EDE）というモデルを提案する。スカラー場のエネルギー密度は物質と放射の等価点で約10%に達し、音響半径を小さくすることでハッブル緊張を解消する。最終的なトンネル遷移が極めて遅い場合、今日のダークエネルギーを自然に説明でき、初期と後期の宇宙加速の統一的起源を提供する。

ABSTRACT

We propose a new model of Early Dark Energy (EDE) as a solution to the Hubble tension in cosmology, the apparent discrepancy between local measurements of the Hubble constant $H_0\simeq 74$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ and $H_0\simeq 67$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ inferred from the Cosmic Microwave Background (CMB). In Chain EDE, the Universe undergoes a series of first order phase transitions, starting at a high energy vacuum in a potential, and tunneling down through a chain of every lower energy metastable minima. As in all EDE models, the contribution of the vacuum energy to the total energy density of the universe is initially negligible, but reaches $\sim 10\%$ around matter-radiation equality, before cosmological data require it to redshift away quickly -- at least as fast as radiation. We indeed obtain this required behavior with a series of $N$ tunneling events, and show that for $N>600$ the phase transitions are rapid enough to allow fast percolation and thereby avoid large scale anisotropies in the CMB. We construct a specific example of Chain EDE featuring a scalar field in a quasiperiodic potential (a tilted cosine), which is ubiquitous in axion physics and, therefore, carries strong theoretical motivation. Interestingly, the energy difference between vacua can be roughly the size of today's Dark Energy (meV scale). Therefore, the end result of Chain EDE could provide a natural explanation of Dark Energy, if the tunneling becomes extremely slow in the final step before the field reaches zero (or negative) energy. We discuss a simple mechanism which can stop the scalar field in the desired minimum. Thus Chain EDE offers the exciting prospect to explain EDE and Dark Energy by the same scalar field.

研究の動機と目的

• 初期宇宙の膨張歴史を修正することで、局所的測定値 $H_0 \approx 74\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ とCMBから推定される $H_0 \approx 67\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ の間のハッブル緊張を解消すること。
• 孤立したバブル核生成による大規模CMB非等方性のリスクを避けるために、単一の相転移EDEモデルの限界を克服すること。
• CMB非等方性制約を満たしつつ、物質-放射等価点以降にEDEエネルギー密度を速やかに赤方偏移させる、実現可能なEDEモデルを構築すること。
• 最終的なトンネル遷移が抑制される場合、同じスカラー場が今日のダークエネルギーを説明できる可能性を検討すること。
• アキソン物理学に共通する準周期的ポテンシャル（傾き付きコサイン）を用いた理論的枠組みを提供し、相転移の連鎖を実現すること。

提案手法

• 宇宙が $N$ 個のメタ安定な真空を通じて連続的に一次相転移を経るモデルを構築し、各真空の真空エネルギーが減少するように設定する。
• アキソン物理学に由来する動機付けをもつ準周期的ポテンシャル（傾き付きコサイン）を用いて、$N > 600$ 個の遷移を自然に実現するスカラー場を導入する。
• 個々の真空の寿命が数年未塔に短いことを要求することで、トンネル遷移が速く、パーコレーションと再加熱が起こり、大規模CMB非等方性を回避する。
• 時間に依存するメカニズム（例えば、トリガー場やリラクシオンに類似した反作用）を用いてトンネル率を制御し、初期のトンネル遷移を抑制し、バブル核生成を同期化する。
• $N$ 個の遷移の累積的効果により、物質-放射等価点以降にEDEエネルギー密度が放射に匹敵する速さで赤方偏移するように設計する。
• 2番目のスカラー場からの反作用によって、最終的な最小値に場が停止するメカニズムを提案し、残存する真空エネルギーが今日のダークエネルギー密度（meVスケール）と一致するようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の真空寿命が数年未塔に短い条件下で、連続的な一次相転移の連鎖が、物質-放射等価点でエネルギー密度が約10%に上昇し、速やかに減少するEDEの挙動を再現できるか。
• RQ2 個々の真空寿命が短い（数年未塔）という制約のもとで、CMB非等方性制約を満たすために必要な最小の相転移数 $N$ はどの程度か。
• RQ3 最終的なトンネル遷移が抑制され、小さな長寿命の真空エネルギーが残る場合、EDEを担う同じスカラー場が今日のダークエネルギーを説明できるか。
• RQ4 準周期的ポテンシャル（例：傾き付きコサイン）が、$N > 600$ 個のメタ安定な真空を保持しつつ、必要なトンネル遷移ダイナミクスを維持できるか。
• RQ5 インフレーション、EDE、現在のダークエネルギーがすべて、同一のスカラー場が単一のポテンシャル・ランドスケープ内で連続的なトンネル遷移を経ることで生じる、自己整合的なモデルを構築可能か。

主な発見

• チェーンEDEは、$N > 600$ 個の速やかでパーコレーションする相転移の蓄積により、物質-放射等価点でエネルギー密度が約10%に上昇し、放射より速やかに減衰するEDE挙動を実現する。
• 個々の真空寿命が $\lesssim$ 数年である限り、モデルは大規模CMB非等方性を回避し、現在のCMBおよびLSSデータからの観測制約を満たす。
• 物質-放射分離時の音響半径を小さくすることで、ハッブル緊張が解消され、CMBから推定される $H_0$ が局所的測定値と整合する。
• 連続する真空間のエネルギー差は、現在のダークエネルギー密度（meVスケール）のオーダーに設定可能であり、EDEと後期加速の統一的説明が可能になる。
• 最終的なトンネル遷移が極めて遅く、宇宙の年齢を超える寿命を持つ場合、場はエネルギー密度が今日のダークエネルギーに一致する最小値に閉じ込められる。
• 単一のスカラー場が準周期的ポテンシャル（傾き付きコサイン）に従うことで、モデルが実現可能であり、アキソン物理学からの強い理論的動機付けと、$N \gtrsim 10^4$ 個の遷移への自然な道筋を提供する。