[論文レビュー] Multi-feature universe: large parameter space cosmology and the swampland

Deng Wang|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、現在の宇宙論的データを用いて12パラメータの相互作用的ダークエネルギーモデルを分析することで、スワンプランド予想の宇宙論的影響を調査する。モデル別比較手法を採用し、スワンプランド定数 $c$ に対するこれまでで最も厳しい上限を導出し、ダークエネルギーに対しては3σで $c leq 1.94$、凸でないポテンシャルを有するディラック＝ボーン＝インフェルド（DBI）インフレーションに対しては3σで $c leq 0.58$ が得られ、スワンプランド予想とのわずかな不一致を示している。

ABSTRACT

Under the belief that the universe should be multi-feature and informative, we employ a model-by-model comparison method to explore the possibly largest upper bound on the swampland constant $c$. Considering the interacting quintessence dark energy as the comparison model, we constrain the large parameter space interacting dark energy model, a 12-parameter extension to the $Λ$CDM cosmology, in light of current observations. We obtain the largest $2σ$ ($3σ$) bound so far, $c\lesssim1.62$ $(1.94)$, which would allow the existences of a number of string theory models of dark energy such as 11-dimensional supergravity with double-exponential potential, $O(16) imes O(16)$ heterotic string and some Type II string compactifications. For inflationary models with concave potential, we find the $2σ$ ($3σ$) bound $c\lesssim0.13$ $(0.14)$, which is still in strong tension with the string-based expectation $c \sim \mathcal{O}(1)$. However, combining Planck primordial non-Gaussianity with inflation constraints, it is interesting that the Dirac-Born-Infeld inflation with concave potential gives the $2σ$ ($3σ$) bound $c\lesssim0.53$ $(0.58)$, which is now in a modest tension with the swampland conjecture. Using the Bayesian evidence as the model selection tool, it is very surprising that our 18-parameter multi-feature cosmology is extremely strongly favored over the $Λ$CDM model.

研究の動機と目的

• 現在の宇宙論的観測を用いて、スワンプランド定数 $c$ の最大可能な上限を特定すること。
• 大規模パラメータ空間を有する宇宙論的モデルの文脈において、スワンプランド予想の妥当性を検証すること。
• ストリング理論に由来するダークエネルギーモデルやインフレーションのシナリオが、スワンプランド枠組み下で観測的制約と整合するかどうかを調査すること。
• 特に初期宇宙のスペクトルおよびレンズ効果の強度に関して、プランク2018年データと整合する多特徴宇宙論的モデルの整合性を検討すること。
• 高次元パラメータ空間において顕在する予期しないパラメータのデゲネラシーに起因する「ヘリウムのパズル」——初期ヘリウム質量分数量 $Y_{\text{He}}$ の制約が不確実であること——を解明すること。

提案手法

• 12パラメータの $\Lambda$CDM の拡張において、相互作用的クインテッセンスダークエネルギーを比較モデルとして用いた、モデル別比較手法を採用する。
• 分析には、ダークエネルギー用のTLLBPおよびインフレーション用のTLLBKの両方のデータセットを用い、CMB、BAO、SNe Ia、弱レンズィングデータを統合する。
• スワンプランド予想の第二の基準、$M_p |V'|/V > c \sim \mathcal{O}(1)$ を適用し、尤度解析およびマルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて $c$ を制約する。
• 各モデルの事後分布の $2\sigma$ および $3\sigma$ 可信区間から $c$ の制約を導出する。
• 特に凸でないポテンシャルを有するディラック＝ボーン＝インフェルド（DBI）インフレーションの文脈で、プランク2018年の初期非ガウス性データを組み込み、$c$ の制約を精緻化する。
• 初期スケール不変スペクトル（$n_s=1$）およびレンズ効果強度パラメータ $A_L$ が、多特徴モデルにおける理論的予測と整合するかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の宇宙論的データと整合するスワンプランド定数 $c$ の最大可能な上限は何か？
• RQ2 11次元スーパーグラビティや $O(16)\times O(16)$ ホテルシック・ストリングを含む、ストリング理論に由来するダークエネルギーモデルは、スワンプランド予想の下で妥当性を保つか？
• RQ3 初期非ガウス性データを含めることで、凸でないポテンシャルを有するDBIインフレーションにおける $c$ の制約はどのように変化するか？
• RQ4 12パラメータの多特徴宇宙論的モデルは、$n_s=1$ や $A_L=1$ といった標準的予測をどの程度再現できるか？
• RQ5 現在の解析において、初期ヘリウム質量分数量 $Y_{\text{He}}$ が制約されないのはなぜか？これはパラメータのデゲネラシーに何を示唆するか？

主な発見

• 相互作用的ダークエネルギーモデルに対して、スワンプランド定数 $c$ の3σ上限は $c \lesssim 1.94$ であり、これまでで最も厳しい上限である。
• この上限は、二重指数的ポテンシャルを有する11次元M理論や、$O(16)\times O(16)$ ホテルシック・ストリングのコンパクト化を含む、複数のストリング理論的ダークエネルギーモデルの妥当性を許容する。
• 凸でないポテンシャルを有するインフレーションモデルでは、3σの上限が $c \lesssim 0.14$ にまで低下し、過去の結果と整合的であり、ストリング理論が予測する $c \sim \mathcal{O}(1)$ の期待値と強い不一致を示している。
• プランク初期非ガウス性データとインフレーション制約を組み合わせた場合、DBIインフレーションモデルでは3σの上限が $c \lesssim 0.58$ にまで緩和され、スワンプランド予想との不一致はわずかである。
• 大規模パラメータ空間を有するLPSIDEモデルにおいて、初期スケール不変スペクトル（$n_s = 1$）は2σ未満の信頼水準で良好に満たされている。
• LPSIDEおよびLPSCPLモデルの両方において、レンズ効果強度スケーリングパラメータ $A_L$ は理論的予測 $A_L = 1$ と約1σの信頼水準で整合している。