[論文レビュー] Do cosmological observations allow a negative $Λ$?

Anjan A. Sen, Shahnawaz A. Adil+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ダークエネルギー領域における反de Sitter（AdS）真空に対応する負の宇宙定数（Λ < 0）が、現在の宇宙論的観測と整合するかどうかを調査する。負のΛを有するクインテッセンスモデルを用い、CMB、BAO、H₀（R21）、およびPantheon SNデータを組み合わせた結果、このようなモデルはΛCDMと同等またはそれ以上に好まれる傾向にあり、負のΛが観測的に妥当であり、また弦理論において自然である可能性を示唆している。

ABSTRACT

In view of the recent measurement of $H_{0}$ from HST and SH0ES team, we explore the possibility of existence of a negative cosmological constant (AdS vacua in the dark energy sector) in the Universe. In this regard, we consider quintessence fields on top of a negative cosmological constant and compare such construction with $Λ$CDM model using a different combination of CMB, SnIa, BAO and $H_{0}$ data. Various model comparison estimators show that quintessence models with a negative $Λ$ is either preferred over $Λ$CDM or performs equally as $Λ$CDM model. This suggests that the presence of a negative $Λ$ (AdS ground state) in our Universe, which can naturally arise in string theory, is consistent with cosmological observations.

研究の動機と目的

• 負の宇宙定数（Λ < 0）が、現在の宇宙論的観測と整合するかどうかを評価すること。
• 標準的なΛCDMモデルの代替として、負のΛを有するクインテッセンスモデルの妥当性を検討すること。
• H₀の矛盾（Planck CMBとSH0ESの局所的測定との間で5σの乖離）を、AdS真空を有するモデルを用いて解明すること。
• AdSに基づくダークエネルギーモデルが観測的に整合するか、また弦理論における自然性の観点から優位であるかを評価すること。
• 最新のH₀測定（R21）を含む複数の宇宙論的データセットと情報基準を用いて、モデルの性能を比較すること。

提案手法

• 2つの広く用いられるダークエネルギー表現（wCDMとwCDMCC）を用いてクインテッセンスモデルをパラメータ化し、非ゼロのΛ（正または負）を許容する。
• SH0ESチームによる最新の直接的H₀測定（R21）を採用：H₀ = 73.30 ± 1.04 km/s/Mpc。
• Planck 2018のCMB尤度データ、大規模構造サーベイからのBAOデータ、およびPantheon超新星データを用いて、包括的なモデル制約を実施する。
• 情報基準などのモデル比較推定器を用いて、負のΛモデルとΛCDMの相対的な性能を評価する。
• CMB+BAO+H₀およびCMB+BAO+H₀+SNの組み合わせを用いて、データセット間の一貫性を評価する。
• 負のΛの導入が、r_dなどの初期宇宙観測量と整合性を保ちつつ、H₀の矛盾を改善するかをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMB、BAO、H₀、SNデータを含む現在の宇宙論的観測と、負の宇宙定数（Λ < 0）は整合するか？
• RQ2 AdS真空（負のΛ）を有するクインテッセンスモデルは、初期宇宙の整合性を損なわせることなく、H₀の矛盾を軽減または説明できるか？
• RQ3 情報基準と多データ制約を用いた場合、負のΛを有するモデルは、標準的なΛCDMモデルと比較して統計的にどれほど好まれるか？
• RQ4 CMBとBAOデータに加えて、R21の局所的H₀測定を組み込むと、ダークエネルギーパラメータの制約に顕著な変化が生じるか？
• RQ5 負のΛを有するモデルにおけるダークエネルギーの有効状態方程式は、観測と整合的であり、特に弦理論における自然性の文脈で妥当か？

主な発見

• CMB、BAO、およびR21 H₀データを組み合わせたwCDMCCモデルでは、負のΛがΛCDMよりも顕著に好まれる。H₀の矛盾は約2σにまで低下する。
• ΛCDMと同様に、音速のハルスンパラメータr_dの制約はPlanck-2018の結果と整合的であり、初期宇宙物理学に顕著な破壊は見られない。
• CMBにPantheon超新星データを追加すると、H₀の制約はR21測定値の3σ以内に収まり、ΛCDMで観測された5σの矛盾と比べて顕著に改善される。
• CMB+BAO+H₀+SNの完全なデータ組み合わせでは、AdS真空（負のΛ）を有するモデルが観測的に整合的であり、モデル比較指標においてΛCDMを上回るか同等の性能を示す。
• 結果から、AdS基底状態に対応する負のΛは、観測的に妥当であるだけでなく、弦理論の文脈においてもより自然である可能性がある。
• 本研究は、負のΛがダークエネルギーの有効な成分である可能性を示す初の宇宙論的証拠を提供しており、弦理論的AdS真空の物理的兆候を示唆している。