[論文レビュー] Constraints on pseudoscalar-photon interaction from CMB polarization observation

Wei-Tou Ni|ArXiv.org|Oct 22, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、宇宙背景放射（CMB）の偏光観測を用いて、擬スカラー-光子相互作用の制約をレビューしており、このような相互作用が波長に依存しない宇宙的偏光回転を引き起こすことを示している。WMAPおよび他の実験からのCMBデータは、回転角を±100 mrad以内に制限しており、有効な擬スカラー-光子結合に対する強い制限を与え、ローレンツ対称性の破れやCPT対称性の破れの可能性を探索している。

ABSTRACT

Effective pseudoscalar-photon interaction(s) would induce a rotation of linear polarization of electromagnetic wave propagating with cosmological distance in various cosmological models. Pseudoscalar-photon interaction is proportional to the gradient of the pseudoscalar field. From phenomenological point of view, this gradient could be neutrino number asymmetry, other density current, or a constant vector. In these situations, Lorentz invariance or CPT may effectively be violated. CMB polarization observations are superb tests of these models and have the potential to discover new fundamental physics. In this paper, we review the constraints on pseudoscalar-photon interaction from CMB polarization observation.

研究の動機と目的

• 有効なローレンツ対称性またはCPT対称性の破れを引き起こす可能性がある擬スカラー-光子相互作用の現象論的モデルを評価すること。
• CMB偏光観測が新しい基本的物理学の探査にどのように役立つかを評価すること。
• 複数のCMB実験からの制約を統合し、擬スカラー-光子結合の強さを制限すること。
• 波長に依存しない性質を利用して、宇宙的偏光回転と磁気的由来のファラデー回転を区別すること。

提案手法

• 擬スカラー場の勾配に比例する、ラグランジアンにおけるチェーン＝シモンズ型項を介して擬スカラー-光子相互作用をモデル化すること。
• 宇宙論的距離を伝わる電磁波の線形偏光が、どのように回転するかを導出すること。
• 最後散乱面における偏光回転角の制約を、偏光揺らぎの共分散 <[δφ(2)−δφ(1)]²> を用いて推定すること。
• DASI、WMAP、および他の実験からのCMB Eモードおよび温度-偏光（TE）相関データを分析し、標準的予測からのずれを検出すること。
• 観測された偏光非一様性と、擬スカラー-光子結合を仮定した理論的予測を比較し、回転角の上限を抽出すること。
• 高精度データにおいて、宇宙的偏光回転が波長に依存しないという性質を活用し、磁気的由来のファラデー回転と効果的に分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMB偏光非一様性に現れる擬スカラー-光子相互作用の観測可能なシグネチャーは何か？
• RQ2 擬スカラー-光子相互作用は、CMBにおける温度とEモード偏光の相関をどのように変化させるか？
• RQ3 CMB偏光データは、有効な擬スカラー-光子結合の強さをどの程度まで制限できるか？
• RQ4 現在および将来のCMB観測において、宇宙的偏光回転をファラデー回転から区別できるか？
• RQ5 観測された制約は、量子場の理論におけるローレンツ対称性またはCPT対称性の破れに関するモデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• WMAP1からのCMB偏光観測は、1σ信頼水準で宇宙的偏光回転角がΔφ ≈ ±100 mradに制限されることを示している。
• その後のWMAP3およびWMAP5データの解析では、より厳しい制約が得られ、最良適合値は−45 ± 33 mradから9.6 ± 14.3 mradの範囲に収まっている。
• DASI、WMAP、およびB03データからのすべての制約は、2σ水準でゼロ回転と整合しており、擬スカラー-光子相互作用の顕著な検出は見つかっていない。
• 宇宙的偏光回転が波長に依存しないという性質が、ファラデー回転とは明確に区別できるキーデータを提供し、高精度データにおいて両者の効果を分離可能である。
• PLANCK、B-Pol、CMBpol、およびLiteBIRDミッションは、さらなる感度向上を図り、擬スカラー-光子結合をより低いレベルまで探査できると期待されている。
• ニュートリノ数の非対称性、密度の流れ、または定数ベクトルを擬スカラー勾配の源とする理論的モデルは、これらの観測によって制限を受けている。