[論文レビュー] Constraints on Disformal Couplings from the CMB Temperature Evolution

Carsten van de Bruck, Jack Morrice+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、CMBの温度時間変化と$μ$-歪みの上限を分析することで、スカラー場とCMBとの間の非共形結合を制限する。非共形結合は光子の有効状態方程式を変更し、物質および光子との相互作用強度に対するきびしい制限を課す。$w_\gamma = 1/3$からのずれは、主要な観測的特徴として機能する。

ABSTRACT

Certain modified gravity theories predict the existence of an additional, non-conformally coupled scalar field. A disformal coupling of the field to the Cosmic Microwave Background (CMB) is shown to affect the evolution of the energy density in the radiation fluid and produces a modification of the distribution function of the CMB, which vanishes if photons and baryons couple in the same way to the scalar. We find the constraints on the couplings to matter and photons coming from the measurement of the CMB temperature evolution and from current upper limits on the $\mu$--distortion of the CMB spectrum. We also point out that the measured equation of state of photons differs from $w_\gamma = 1/3$ in the presence of disformal couplings.

研究の動機と目的

• スカラー場とCMBとの間の非共形結合が、放射体のエネルギー密度の時間変化に与える影響を調査すること。
• 測定されたCMB温度時間変化と$μ$-歪みの上限を用いて、非共形結合の強度に関する観測的制限を導出すること。
• 非共形結合が光子の有効状態方程式をどのように変化させるかを特定し、標準的な$w_\gamma = 1/3$からのずれを明らかにすること。

提案手法

• スカラー場が光子およびバリオンの両者と非共形結合するモデルを構築し、共形不変性を破り、エネルギー密度の時間変化を変更する。
• 非共形結合下でのCMB分布関数に対する修正されたボルツマン方程式を導出し、両方の成分が同一に結合する場合にのみ消える非ゼロの補正項が存在することを示す。
• 赤方圧縮$z \lesssim 10^4$におけるCMB温度時間変化の観測データを用いて、結合パラメータを制限する。
• $μ$-歪みの現在の上限を適用し、非共形結合パラメータの許容されるパラメータ空間をさらに制限する。
• 非共形結合の存在下での光子の有効状態方程式を計算し、$w_\gamma = 1/3$からずれることが示される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場とCMBとの間の非共形結合は、放射体のエネルギー密度の時間変化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 現在のCMB温度時間変化測定値は、物質および光子への非共形結合の強度をどの程度制限するか？
• RQ3 非共形結合の影響により、光子の有効状態方程式は$w_\gamma = 1/3$からどの程度ずれるか？
• RQ4 $μ$-歪みの上限は、温度時間変化データに加えて、非共形結合パラメータをどの程度さらに制限するか？
• RQ5 CMB分布関数への非共形結合効果が消える条件は何か？

主な発見

• 非共形結合は、光子とバリオンのスカラー場への相対的結合強度に依存するCMB分布関数の修正を引き起こす。
• 光子とバリオンがスカラー場に対して同一に結合する場合、観測可能なシグナルの符号が抑制されるという対称性に起因する。
• CMB温度時間変化の観測的制限は、特に$μ$-歪みの上限と組み合わせることで、非共形結合パラメータに非自明な制限を課す。
• 非共形結合の存在下では、光子の有効状態方程式は$w_\gamma = 1/3$からずれるため、明確な観測的特徴となる。
• 温度時間変化と$μ$-歪みの上限の併用解析により、単独での観測よりもきびしい制限が得られる。