[論文レビュー] Late-time cosmology of scalar-tensor theory with a universal coupling between the scalar field and the matter Lagrangian

O. Minazzoli, Aurélien Hees|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、スカラー場と物質ラグランジアンの間の普遍的結合を有するスカラー・テンソル理論を調査し、このような理論が宇宙論において距離-等価距離関係を変更することを示している。太陽系の制約を満たし、基本定数の変動と等価距離の観測と整合する妥当なモデルを同定している。

ABSTRACT

We investigate the late-time cosmological behaviour of scalar-tensor theories with a universal multiplicative coupling between the scalar field and the matter Lagrangian in the matter era. This class of theory encompasses the case of the massless string dilaton (see Damour and Polyakov, General Relativity and Gravitation, 26, 1171) as well as a theory with an intrinsic decoupling mechanism in the solar system (see Minazzoli and Hees, Phys. Rev. D 88, 041504). The cosmological evolution is studied in the General Relativity limit justified by solar system constraints on the gravitation theory. The behaviour of these cosmological evolutions are then compared to two types of observations: the constraints on temporal variations of the constants of Nature and the distance-luminosity measurements. In particular, the non-minimal coupling implies that the distance-luminosity relation is modified compared to General Relativity. Theories producing a cosmological behaviour in agreement with these observations are identified.

研究の動機と目的

• スカラー場と物質ラグランジアンの間の普遍的乗法的結合を特徴とするスカラー・テンソル理論の晩期宇宙論的挙動を分析すること。
• 一般相対性理論の極限に近づくことで太陽系の制約と整合することを保証すること。
• 時間的変動する基本定数に関する観測データと比較して、宇宙論的予測を検証すること。
• 一般相対性理論と比較して、距離-等価距離関係に生じる修正を評価すること。
• 太陽系の制約と宇宙論的観測の両方を同時に満たす妥当な理論を同定すること。

提案手法

• スカラー場と物質ラグランジアンへの普遍的結合を有するスカラー・テンソル理論の形式的枠組みを構築し、質量のないストリング・ダイアロンと分離機構モデルを一般化する。
• 弱い場、ゆっくりとした運動の極限で理論を分析し、太陽系のテストと整合することを保証し、局所的には一般相対性理論に帰着する。
• 物質支配時代における宇宙論的進化を、普遍的結合を伴う作用から導かれる修正された場の方程式を用いて導出する。
• この枠組みにおいて距離-等価距離関係を再計算し、標準的一般相対性理論の予測からずれることを示す。
• 時間的変動する定数（例：構造定数）およびIa型超新星の等価距離の観測制約を用いて、モデルパラメータを制約する。
• パラメータ空間を走査し、太陽系の制約と宇宙論的観測の両方を満たすモデルを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場と物質ラグランジアンの間の普遍的結合は、物質時代の宇宙論的進化にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 一般相対性理論と比較して、この結合は距離-等価距離関係にどのような修正を引き起こすか？
• RQ3 このクラスのスカラー・テンソル理論において、重力に関する太陽系の制約と整合するモデルはどれか？
• RQ4 このような理論は、観測された基本定数の時間的変動をどの程度まで説明できるか？
• RQ5 等価距離測定と変動定数の両方の制約を同時に満たす妥当なモデルを同定できるか？

主な発見

• 普遍的結合により、距離-等価距離関係が標準的一般相対性理論の予測から修正され、ずれが生じる。
• 理論は第五力効果を太陽系で抑制する分離機構を許容し、局所的重力テストと整合することを保証する。
• このような結合を持つモデルは、構造定数のような基本定数の時間的変動に関する観測的制約を再現できる。
• 結合強度が適切に制約されれば、Ia型超新星からの等価距離データとこれらのモデルの宇宙論的進化が整合する。
• 太陽系の制約と宇宙論的観測の両方を満たす妥当なモデルのサブセットが同定され、理論が晩期宇宙論における可能性を示している。
• 普遍的結合の存在により、高密度環境におけるスカラー場効果のスクリーニングに関する新たなメカニズムが導入され、局所的テストとの整合性が保たれる。