[論文レビュー] CMB B-modes, spinorial space-time and Pre-Big Bang (II)

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、BICEP2が検出したCMB Bモードが、宇宙インフレーションではなく、プリビッグバン宇宙論またはスピンorial時空（SST）に起因する可能性を提唱している。SSTは自然に特権的空間方向（PSD）を導入する。このPSDは、インフレーションや初期の重力波を必要とせず、ベクトル摂動とBモード偏光を生成することができる。

ABSTRACT

The BICEP2 collaboration reported recently a B-mode polarization of the cosmic microwave background (CMB) radiation inconsistent with the null hypothesis at a significance of > 5 σ. This result has been often interpreted as a signature of primordial gravitational waves from cosmic inflation, even if actually polarized dust emission may be at the origin of such a signal. Even assuming that part of this CMB B-mode polarization really corresponds to the early Universe dynamics, its interpretation in terms of inflation and primordial gravitational waves is not the only possible one. Alternative cosmologies such as pre-Big Bang patterns and the spinorial space-time (SST) we introduced in 1996-97 can naturally account for such CMB B-modes. In particular, the SST automatically generates a privileged space direction (PSD) whose existence may have been confirmed by Planck data. If such a PSD exists, it seems normal to infer that vector perturbations have been present in the early Universe leading to CMB B-modes in suitable cosmological patterns. Inflation would not be required to explain the BICEP2 result assuming it really contains a primordial signal. More generally, pre-Big Bang cosmologies can also generate gravitational waves in the early Universe without any need for cosmic inflation. We further discuss here possible alternatives to the inflationary interpretation of a primordial B-mode polarization of cosmic microwave background radiation.

研究の動機と目的

• BICEP2のBモード信号の支配的であるインフレーション解釈に挑戦し、代替の宇宙論的枠組みを提唱すること。
• 観測されたCMB Bモードが、プリビッグバンモデルにおけるベクトル摂動、またはスピンorial時空（SST）における幾何的非等方性から生じる可能性を主張すること。
• SSTにおける特権的空間方向（PSD）の存在が、プランクデータと整合しており、CMB Bモード偏光を説明できる可能性を強調すること。
• 初期CMB非一様性を説明するために、プランクスケールを超える物理学および修正された時空幾何学が必要となる可能性を示唆すること。
• 超高エネルギーにおけるローレンツ対称性の系統的検証と、CMBおよび宇宙線データとの関連において新たな物理を推進すること。

提案手法

• 時空を4つの実数座標ではなく、2つの複素SU(2)座標で記述するスピンorial時空（SST）形式を用いる。
• 宇宙時間 $ t = |oldsymbol{ ilde{ heta}}| $ を定義し、空間的断片を $ S^3 $ 多様体とする。これにより、各共動観測者に対して自然な特権的空間方向（PSD）が生じる。
• SSTフレームワークをプリビッグバン宇宙論に適用し、$ t = 0 $ で重力インスタントンから始まり、初期のベクトル摂動を生成する。
• SSTにおけるPSDとパリティの破れが、テンソル摂動に依存せず、ベクトルモードを通じてCMB Bモード偏光を自然に生成できることを分析する。
• SSTおよびプリビッグバンモデルを標準的 $\Lambda$CDMおよびインフレーションモデルと比較し、インフレーションを必要とせずに水平問題や平坦性問題を解決できることを強調する。
• 超高エネルギー宇宙線とCMB非一様性の相関をテストする長期的な観測プログラムを提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMB Bモード偏光は、宇宙インフレーションや初期の重力波を仮定せずに、プリビッグバン宇宙論によって説明可能か？
• RQ2 スピンorial時空（SST）における特権的空間方向（PSD）の存在が、CMB Bモードを自然に生成するメカニズムを提供するか？
• RQ3 BICEP2のBモード信号は、非インフレーション的で幾何的に非等方的な時空構造から生じるベクトル摂動と整合的か？
• RQ4 初期宇宙にPSDが存在する場合、超高エネルギー宇宙線がCMB非一様性と方向相関を示す可能性はあるか？
• RQ5 SSTおよびプリビッグバンモデルが、プランクスケールエネルギーにおけるローレンツ対称性および標準物理学の妥当性に与える影響は何か？

主な発見

• スピンorial時空（SST）モデルは自然に特権的空間方向（PSD）を生成し、WMAPデータと整合的であり、プランクデータによって潜在的に確認されている可能性がある。
• CMB Bモード偏光は、SSTおよびプリビッグバンモデルにおけるベクトル摂動によって、初期の重力波や宇宙インフレーションを必要とせずに生成可能である。
• BICEP2の信号が初期の起源を持つ場合、インフレーションパラダイムに特異的であるとは限らず、代替の宇宙論を示唆する可能性がある。
• プリビッグバンモデルは、$ t = 0 $ における初期の重力インスタントンを通じて水平問題を解決し、インフレーションを必要とせずに初期の重力波を生成できる。
• SSTにおけるPSDはパリティの破れを引き起こし、観測されたCMB非一様性を説明でき、観測された大規模非対称性の幾何的起源を提供する。
• 超高エネルギーにおけるローレンツ対称性の系統的検証と、新たな物理の探求が不可欠であり、特にUHECRとCMB非一様性の相関の可能性を踏まえて重要である。