[論文レビュー] De Broglie-Bohm Prediction of Quantum Violations for Cosmological Super-Hubble Modes

Antony Valentini|ArXiv.org|Apr 29, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、de Broglie-Bohm理論が予測する初期宇宙における量子非平衡状態が、宇宙論的超ヒューブルモードにおいて標準量子力学からの観測可能なずれを引き起こす可能性を提案している。著者は、波長が一時的なヒューブル半径よりも大きいモードに対して、非平衡状態の緩和を抑制する『凍結不等式』を特定し、初期の非平衡状態を保存することで、宇宙背景放射の異常やレリック非平衡粒子に対する検証可能な予測が可能になると示している。

ABSTRACT

The hypothesis of quantum nonequilibrium at the big bang is shown to have observable consequences. For a scalar field on expanding space, we show that relaxation to quantum equilibrium (in de Broglie-Bohm theory) is suppressed for field modes whose quantum time evolution satisfies a certain inequality, resulting in a 'freezing' of early quantum nonequilibrium for these particular modes. For an early radiation-dominated expansion, the inequality implies a corresponding physical wavelength that is larger than the (instantaneous) Hubble radius. These results make it possible, for the first time, to make quantitative predictions for nonequilibrium deviations from quantum theory, in the context of specific cosmological models. We discuss some possible consequences: corrections to inflationary predictions for the cosmic microwave background, non-inflationary super-Hubble field correlations, and relic nonequilibrium particles.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における量子非平衡状態が、de Broglie-Bohm理論において観測可能な結果をもたらすかどうかを調査すること。
• 宇宙論的スカラー場モードの量子非平衡状態が、緩和されるのではなく「凍結」される条件を特定すること。
• 超ヒューブルモードが宇宙論的過程中に非平衡状態を維持するかどうかを決定する定量的凍結不等式を導出すること。
• 凍結非平衡状態のインパクトがインフレーション予測、超ヒューブル相関、およびレリック粒子に与える影響を検討すること。
• 宇宙観測量および粒子レリックにおけるボーン則からの非平衡ずれを検証するための基盤を構築すること。

提案手法

• 膨張する空間上でのスカラー場のモード占有数 ⟨nₖᵣ⟩ₜ の時間発展を、パイロットウェーブ力学を用いてde Broglie-Bohm理論で導出する。
• 超ヒューブルモードの非平衡状態が保存されるかどうかを決定する臨界凍結不等式（式29）を同定する。
• 放射優勢の初期宇宙に凍結条件を適用し、それが物理的波長が一時的なヒューブル半径を上回ることに対応することを示す。
• 凍結不等式下での⟨nₖᵣ⟩ₜの緩和ダイナミクスを分析し、その条件を満たすモードでは緩和が抑制されることを示す。
• ⟨nₖᵣ⟩ₜの近似解（式43）を用いて、時間経過に伴う凍結不等式の満たされる条件を探索する。
• 粒子崩壊過程（例：インフレートンが重力スティンに崩壊する）に影響を検討し、非平衡状態が長寿命レリック粒子に伝わる可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 de Broglie-Bohm理論において、宇宙論的超ヒューブルモードの量子非平衡状態が、平衡状態に緩和されるのではなく、どのようにして凍結されるのか。
• RQ2 放射優勢宇宙における凍結不等式は、物理的波長とヒューブル半径の間にどのような関係をもつのか。
• RQ3 宇宙背景放射パワースペクトルにおいて、初期の凍結非平衡状態がもたらす観測可能な結果は何か。
• RQ4 リハーサル期に生成されたレリック粒子（例：重力スティン）に非平衡状態が保存可能か。もし可能であれば、どのようにして検出可能か。
• RQ5 素粒子物理学および宇宙論的モデルは、非平衡レリックの生存と検出可能性にどのような制約を課えるか。

主な発見

• 宇宙論的スカラー場モードの量子非平衡状態が時間的に保存されるかどうかを決定する凍結不等式（式29）が導出された。
• 放射優勢の膨張において、凍結条件はモードの物理的波長に下限を課し、λ > H⁻¹（式35）を要請する。これは、超ヒューブルスケールに対応する。
• 凍結不等式を満たすモードは、量子平衡への緩和が抑制され、初期の非平衡状態が長期間にわたり保存される。
• この論文は、インフレーションとは異なるアプローチとして、凍結非平衡状態による非インフレーション的超ヒューブル相関のメカニズムを特定した。
• 重力スティンなどのレリック粒子は、インフレートンから非平衡状態を引き継ぐ可能性があり、崩壊過程が完全にそれを消去しない限り、現在に至るまで生存可能である。
• 光子の偏光確率の異常、またはマラスの法則からのずれは、2準位系における非平衡状態の実験的検証に役立つ可能性がある。