[論文レビュー] Cosmology of Massive Gravity and its Extensions

Kurt Hinterbichler|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 113被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、宇宙の加速度的膨張を説明するための宇宙定数の代替としてのdRGT質量のある重力理論およびその拡張（例えば二重重力）をレビューする。微小な重力子質量を導入することで微分同相変換不変性が破れ、技術的に自然な微小質量によって宇宙定数問題を回避する。二重重力における自己加速的解は、晩期の加速を示唆するが、不安定性やΛCDMと観測的に区別できないという課題を抱える。

ABSTRACT

We review the status of the theory of dRGT massive gravity, and some of its extensions, as applied to cosmology and the cosmological constant problem.

研究の動機と目的

• 質量のある重力理論が宇宙定数を導入せずに宇宙の加速度的膨張を説明できるかどうかを評価すること。
• 技術的に自然な微小な重力子質量を通じて、dRGT質量のある重力理論およびその拡張が宇宙定数問題をどのように解決できるかを調査すること。
• 特に自己加速的枝を含む二重重力における宇宙論的解を分析し、その安定性と観測的一致性を評価すること。
• これらのモデルが太陽系の制約を避けられ、原理的に一般相対性理論と区別可能かどうかを特定すること。
• 減衰化（degravitation）や部分的に質量を持つ重力子が、真空中エネルギーを自然に抑制するメカニズムとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 重力子質量の非線形レベルでのゴーストの発生を防ぐために、$\sqrt{g^{-1}\eta}$ の形をとる計量の組み合わせの平方根を含む、二パラメータ族の相互作用ポテンシャルを明示的に構築することで、dRGT作用を構成する。
• 有効場理論的手法を用いて、順次相互作用を導出し、それらを閉形式の作用へと再結合させる。
• 純粋な質量のある重力および二重重力における宇宙論的解を分析し、特に自己加速的枝とその摂動的安定性に注目する。
• 二重重力解の異なる枝における病理的現象（勾配不安定性、ゴーストモード）の有無を評価する。
• 太陽系のテストに適合するかを検証するため、質量のある重力モデルにおけるVainshtein効果とスクリーニング行動を評価する。
• 部分的に質量を持つ対称性が、宇宙定数を自然に微小な重力子質量スケールに固定するメカニズムとしての可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量のある重力理論は、宇宙の加速度的膨張を説明するための宇宙定数の有効な代替手段となり得るか？
• RQ2 二重重力における自己加速的解は、特に初期宇宙において宇宙論的摂動に対して安定しているか？
• RQ3 質量のある重力理論において、減衰化や部分的に質量を持つ重力子といったメカニズムによって、宇宙定数問題が解決可能か？
• RQ4 質量のある重力モデルは、どの程度観測的にΛCDMや一般相対性理論と区別可能か？
• RQ5 強い結合スケール $\Lambda_5 \sim (m^4 M_P)^{1/5}$ が、質量のある重力理論の有効性と予測可能性に及ぼす影響は何か？

主な発見

• dRGT理論は、注意深く構築された相互作用ポテンシャルのおかげで、Boulware-Deserゴーストを回避し、非線形レベルでも物理的自由度が5つに保たれる。
• 二重重力において、動的枝の有限な部分枝は、健全なテンソル摂動を持つ自己加速的解を支持するが、初期宇宙ではスカラーモードに勾配不安定性が見られる。
• パラメータを技術的に自然にチューニングすることで、このスカラー不安定性は観測的に検出不能なほど極めて初期の時空に押し出され、結果としてモデルはΛCDMと観測的に区別不能になる。
• 強い結合スケール $\Lambda_5 \sim (m^4 M_P)^{1/5}$ は、有効場理論のカットオフを定める。これより高いエネルギースケールでは理論が強い結合的になり、摂動論的でなくなる。
• 減衰化メカニズムは線形論的では機能するが、完全な非線形設定では頑健ではなく、Vainshtein効果の欠如により太陽系の制約に違反する傾向がある。
• 部分的に質量を持つ重力子は、宇宙定数を微小な重力子質量スケールに自然に固定する対称性に基づくメカニズムを提供する可能性を秘めているが、完全な非線形設定ではまだ推測的であり、未だ証明されていない。