[論文レビュー] Growing neutrino cosmology

C. Wetterich, V. Pettorino|ArXiv.org|May 5, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、スカラー場（コスモン）への結合によって時間とともに動的に質量が増加するニュートリノ質量を持つ、成長するニュートリノ宇宙論を提案する。このメカニズムにより、宇宙の加速膨張が引き起こされ、超銀河団スケールで非線形なニュートリノ塊が形成される。この機構は、ダークエネルギーの「なぜ今か」問題を説明し、重力よりも強い新しい引力が生じる大規模構造を予測する。

ABSTRACT

In growing neutrino models, the neutrino mass increases in time and stops the dynamical evolution of a dark energy scalar field, thus explaining the 'why now' problem. A new attractive force, mediated by the 'cosmon' scalar field, makes non relativistic neutrino form lumps on the scales of superclusters and beyond. Nonlinear neutrino lumps are predicted to form at redshift z ~ 1 and, if observed, could be an indication for a new attractive force stronger than gravity.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーの発現時期がニュートリノの非相対論的転移と関連することにより、「なぜ今か」問題を解決すること。
• スカラー場（コスモン）を介してニュートリノ質量が動的に増加するメカニズムを提案し、コスモンの進化が停止し、加速膨張が引き起こされることを示すこと。
• コスモンが媒介する新しい引力の宇宙論的影響を検討し、大スケールでの非線形ニュートリノクラスタリングをもたらすこと。
• 特に見せかけのシート（seesaw）および段階的（誘導的トリプレット）メカニズムを通じて、統一理論におけるニュートリノ質量生成とこのメカニズムを結びつけること。
• 時間依存するニュートリノ質量の観測的シグナル、特に大規模構造形成や時間変化するニュートリノ質量の検出可能性を評価すること。

提案手法

• ニュートリノに結合するスカラー場（コスモン）を導入し、時間とともに動的に質量が増加するメカニズムをモデル化する。
• 有効場理論の枠組みを用いて、コスモンの時間的進化とダークエネルギー密度への影響をモデル化する。
• 線形摂動理論を用いて、波数 $ k $ の関数として、CDM、ニュートリノ、およびコスモン場の非線形赤方偏移 $ z_{nl} $ を計算する。
• ダークエネルギー密度と現在のニュートリノ質量を関連付ける関係式 $ \rho_h(t_0)^{1/4} = 1.27 \left( \frac{\gamma m_\nu(t_0)}{eV} \right)^{1/4} \times 10^{-3} \text{eV} $ を導出する。
• 見せかけのシートメカニズムおよび段階的（誘導的トリプレット）メカニズムを用いてニュートリノ質量生成をモデル化し、$ m_\nu = H d^2 / M_{B-L} $ と表す。ここで $ H $ は時間依存する $ M_t $ の影響を受ける。
• ISW効果および大規模構造形成を評価し、重力ポテンシャルの非線形的抑制を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存するニュートリノ質量が、宇宙の加速のタイミングをどのように説明できるか。
• RQ2 ニュートリノに強く結合し、質量増加を引き起こすスカラー場（コスモン）の宇宙論的シグナルは何か。
• RQ3 超銀河団スケールでのニュートリノの非線形クラスタリングが、重力よりも強い新しい引力の証拠となるか。
• RQ4 ニュートリノ質量の時間的進化が構造形成およびISW効果に与える影響は何か。
• RQ5 将来的なニュートリノ質量観測または二重ベータ崩壊実験で、成長するニュートリノ質量を検出できるか。

主な発見

• ニュートリノ塊は赤方偏移 $ z \approx 1 $ で形成され、超銀河団スケールで最大のクラスタリングを示し、新しい引力の観測的シグナルとしての可能性を示す。
• 現在のダークエネルギー密度は、$ \rho_h(t_0)^{1/4} = 1.27 \left( \frac{\gamma m_\nu(t_0)}{eV} \right)^{1/4} \times 10^{-3} \text{eV} $ により現在のニュートリノ質量と関連づけられ、$ m_\nu \sim \text{eV} $ の場合にのみ観測値と一致する。
• 成長するニュートリノモデルでは、初期のニュートリノ揺らぎによる重力ポテンシャルの増強により、CDMの非線形構造形成が、特にスケール $ \sim 14.5 $ Mpc から $ 4.4 \times 10^3 $ Mpc の範囲で早期に進行する。
• 非線形領域ではISW効果が強く抑制され、大きな線形予測があるにもかかわらず、CMB観測との矛盾のリスクが低減する。
• $ \Lambda $CDM では、大規模な非線形構造（例えば超銀河団スケールの塊）は極めてまれであるため、その検出は成長するニュートリノ宇宙論の強力な証拠となる。
• 直接的または二重ベータ崩壊実験で 0.5 eV より大きなニュートリノ質量が測定されれば、成長するニュートリノ質量メカニズムの強力な証拠となる。