[論文レビュー] Dark Energy and Dark Matter in a Superfluid Universe

Kerson Huang|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、宇宙が自己相互作用するスカラー場に支配されるスーパolidであると提唱し、ダークエネルギーはスーパolidのエネルギー密度から生じ、ダークマターは局所的な密度揺らぎから生じるとする。ハルペルン＝フアン・ポテンシャルを用いることで、微調整を必要とせず宇宙の加速を説明し、非線形クライン＝ゴルドン力学によって銀河のハロー効果を再現する。

ABSTRACT

The vacuum is filled with complex scalar fields, such as the Higgs field. These fields serve as order parameters for superfluidity (quantum phase coherence over macroscopic distances), making the entire universe a superfluid. We review a mathematical model consisting of two aspects: (a) emergence of the superfluid during the big bang; (b) observable manifestations of superfluidity in the present universe. The creation aspect requires a self-interacting scalar field that is asymptotically free, i.e., the interaction must grow from zero during the big bang, and this singles out the Halpern-Huang potential, which has exponential behavior for large fields. It leads to an equivalent cosmological constant that decays like a power law, and this gives dark energy without "fine-tuning". Quantum turbulence (chaotic vorticity) in the early universe was able to create all the matter in the universe, fulfilling the inflation scenario. In the present universe, the superfluid can be phenomenologically described by a nonlinear Klein-Gordon equation. It predicts halos around galaxies with higher superfluid density, which is perceived as dark matter through gravitational lensing. In short, dark energy is the energy density of the cosmic superfluid, and dark matter arises from local fluctuations of the superfluid density.

研究の動機と目的

• スーパオリッド宇宙の枠組み内でダークエネルギーとダークマターを統一的に説明すること。
• 自己相互作用するスカラー場から生じる有効な宇宙定数の時間的減少を導出し、宇宙定数問題を解決すること。
• 初期のスーパolid状態における量子乱流によってインフレーション的ダイナミクスを再現すること。
• スーパオリッド密度揺らぎによって観測された銀河の回転曲線と重力レンズ効果を説明すること。
• 非線形クライン＝ゴルドン方程式を用いて現在の宇宙の現象論的モデルを提供すること。

提案手法

• ハルペルン＝フアン・ポテンシャルを有する自己相互作用スカラー場を導入し、大規模な場の値において漸近的に自由であり、大きな場の値で指数関数的に増加する。
• ハルペルン＝フアン・ポテンシャルを用いて、微調整を回避するべきべき乗則に従って減少する有効な宇宙定数を導出する。
• 初期宇宙を量子乱流が物質を生成するスーパOLID状態としてモデル化し、インフレーションの役割を果たす。
• 現在のスーパOLIDを記述する非線形クライン＝ゴルドン方程式を適用し、非一様な密度プロファイルを捉える。
• 局所的なスーパOLID密度の増強から、ダークマターのハローと同様の観測的効果を導出する。
• スーパOLIDの秩序パラメータを、ダークエネルギー（グローバルなエネルギー密度）とダークマター（局所的な密度揺らぎ）の両者と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微調整を必要とせず、基本的なスカラー場からダークエネルギーが自然にどのように生じるか？
• RQ2 初期宇宙におけるスーパオリッド性が、すべての物質の生成を説明でき、インフレーションを満たすことができるか？
• RQ3 スーパオリッド密度の局所的揺らぎが、ダークマターと区別がつかない効果をどのように生じるか？
• RQ4 現在のスーパオリッドを支配する力学的方程式は何か？ そして、観測された重力レンズ効果をどのように再現するか？
• RQ5 ハルペルン＝フアン・ポテンシャルは、時間経過に伴う宇宙定数の観測された減少を説明できるか？

主な発見

• ハルペルン＝フアン・ポテンシャルは、微調整を必要とせず、べき乗則に従って減少する有効な宇宙定数を導出し、自然に宇宙の加速を説明する。
• 初期のスーパOLID状態における量子乱流が物質を生成し、モデルにおいてインフレーションの役割を果たす。
• 非線形クライン＝ゴルドン方程式は現在のスーパOLIDを記述し、より高いスーパOLID密度を持つハローを予測し、ダークマターを模倣する。
• 局所的なスーパOLID密度揺らぎは、銀河ハローの観測と整合する重力レンズ効果を生じる。
• モデルは、ダークエネルギーをスーパOLIDのグローバルなエネルギー密度として、ダークマターをスーパOLIDの局所的不均一性の現れとして統一的に説明する。
• 導出された宇宙定数の時間的変化は、加速宇宙の観測的制約と一致する。