[論文レビュー] Cosmology of the Mirror Universe

Paolo Ciarcelluti|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 11

ひとこと要約

この博士論文は、通常の物質と同一の量子数を持つ鏡粒子を含む鏡セクターが我々の宇宙と共存する対称的で隠れたセクターを形成する宇宙論的モデルを提案している。線形摂動理論とボルツマン方程式を用いて、鏡宇宙における構造形成、CMB非等方性、および初期核合成を分析し、鏡バリオンが観測的制約（ヘリウムの質量関係およびCMBパワースペクトル）と整合的である一方で、自然にダークマターを説明できることを示している。

ABSTRACT

We describe the implications on the structure formation, the cosmic microwave background (CMB) and the large scale structure (LSS) for a Universe in which a significant part of dark matter is made of mirror baryons. Being the microphysics of the mirror baryons identical to the one of the usual baryons, we need only two extra thermodynamical parameters to describe our model: the temperature of the mirror plasma (limited by the BBN) and the amount of mirror baryonic matter. We extend the Jeans theory in order to study the structure formation mechanism in linear regime. Using a numerical code, we compute the temporal evolution of perturbations, the CMB anisotropies and the LSS power spectra. We show as the decoupling time and the dissipative Silk scale of the mirror baryons (both being different than for the ordinary ones) are key features for the evolution of a Mirror Universe, and induces specific signatures on the power spectra. We analyse the dependence of both CMB and LSS spectra on the mirror sector temperature and on the amount of mirror baryons. Confronting with the present observational data, we show that for x < 0.3 the dark matter could be constituted entirely by mirror baryons, since in this case mirror baryons at linear scales behave essentially like cold dark matter (CDM) and substantial deviations are expected only at smaller scales which have undergone non-linear growth from relatively large redshifts. In the case of x > 0.3 the pattern of the LSS power spectrum excludes the possibility of dark matter consisting entirely of mirror baryons, but they could present as admixture to the conventional CDM.

研究の動機と目的

• 通常の物質と同一の量子数を持つ鏡粒子を含む鏡セクターが我々の宇宙と共存する自己完結的な宇宙論的モデルを構築すること。
• 鏡バリオンが、その形成、進化、観測的特徴を分析することによって、妥当なダークマター候補であるかを検討すること。
• 特に粒子の交換過程を通じて、通常のセクターと鏡セクターにおける熱力学的およびバリオジェネシスのメカニズムを検討すること。
• 鏡セクターにおける初期核合成のヘリウム質量関係を計算し、ビッグバン核合成からの観測的制約と比較すること。
• 鏡宇宙モデルにおける宇宙マイクロ波背景（CMB）パワースペクトルおよび大規模構造（LSS）の予測を導出すること。

提案手法

• 各通常粒子が同一の量子数を持つ鏡パートナーを有する鏡対称性に基づく対称的宇宙論的フレームワークを採用する。
• 通常および鏡物質における密度揺らぎの成長を、ニュートン的および相対論的摂動理論の両方を用いて分析する。
• 両セクターにおける光子、ニュートリノ、バリオンのボルツマン方程式を用いて、温度および密度揺らぎの時間発展をモデル化する。
• 重力的崩壊および構造形成の開始を評価するため、鏡セクターにおけるジェイン質量、ジェイン長、およびハッブル質量の時間発展を計算する。
• 鏡プラズマにおける衝突的減衰および散逸的効果を分析し、小スケールパワーの抑制を評価する。
• 鏡宇宙におけるCMBパワースペクトルおよびLSS伝達関数を、鏡セクターの力学的影響を加味した標準的宇宙論的摂動理論を用いて導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鏡バリオンは、標準模型を超える新しい粒子を導入せずに、観測されたダークマター成分を自然に形成できるか？
• RQ2 特に放射支配期および物質支配期において、鏡宇宙の熱力学的進化は通常の宇宙とどのように比較されるか？
• RQ3 鏡セクターにおける予測される初期ヘリウム質量関係は何か？ また、ビッグバン核合成からの観測的制約と整合的か？
• RQ4 鏡宇宙におけるCMB非等方性パワースペクトルは観測結果とどのように比較されるか？ また、標準のΛCDMモデルと区別可能か？
• RQ5 鏡セクターにおける構造形成の条件は何か？ また、鏡ジェインスケールおよびハッブル質量は時間とともにどのように変化するか？

主な発見

• 鏡セクターが対称的であり、バリオン対光子比が適切に調整されていれば、鏡バリオンは安定で冷たいダークマター成分を形成でき、観測されたダークマター密度と一致する。
• 鏡宇宙における初期ヘリウム質量関係は、およそ Yₘ ≈ 0.47 と予測され、ビッグバン核合成からのヘリウム4質量関係の観測的制約と整合的である。
• 鏡宇宙におけるCMBパワースペクトルは、標準モデルと同様の特徴的なピーク構造を示すが、初期宇宙における鏡光子-バリオン結合が存在しないため、振幅が低減されている。
• 鏡セクターにおける構造形成は重力不安定性によって進行し、放射支配期にはジェイン質量が増加し、物質-放射等価以降に束縛構造へと崩壊する。
• 鏡宇宙におけるハッブル質量は通常の宇宙と同様に時間発展を示し、構造形成の開始は鏡バリオン密度に応じて赤方偏移 z ≈ 1000–2000 に起こる。
• 衝突的減衰などの散逸的効果により、鏡CMBおよびLSSにおける小スケールパワーが抑制され、鏡ジェインスケール以下の波数でパワースペクトルにカットオフが生じる。