[論文レビュー] Neutrino Dark Energy

Eduardo Guendelman, Alexander Kaganovich|ArXiv.org|Nov 21, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、2つの測度理論（TMT）における場の理論的メカニズムを提案し、非相対論的ニュートリノが時間の経過とともに、質量が $a^{3/2}$ のように増加し、方程式状態が $w = -1$ に近づく、ダークエネルギーに類似した状態へと動的に進化することを示す。主な結果として、フェルミオンを含まない真空中よりも、CLEP（宇宙論的低エネルギー物理学）状態におけるダークセクターの全エネルギー密度が低くなることが示され、ニュートリノがダークエネルギーに類似した状態にある真の真空である可能性を示唆している。

ABSTRACT

There exist field theory models where the fermionic energy-momentum tensor contains a term proportional to g_{μν}\barΨΨwhich can be responsible for a dark matter to dark energy transmutation. We study some cosmological aspects of the new field theory effect where nonrelativistic neutrinos are obliged to be drawn into cosmological expansion (by means of dynamically changing their own parameters). This becomes possible as the magnitudes of the cold neutrino and vacuum energy densities are comparable. Some of the features of such Cosmo-Low Energy Physics (CLEP) state in the toy model of the late time universe filled with homogeneous scalar field and uniformly distributed nonrelativistic neutrinos: neutrino mass increases as a^{3/2} ($a=a(t)$ is the scale factor); its energy density scales as a sort of dark energy and its equation-of-state approaches w=-1 as a o\infty; the total energy density of such universe is less than it would be in the universe free of fermionic matter at all. CLEP state can be realized in the framework of an alternative gravity and matter fields theory. The latter is reduced to canonical General Relativity when the fermionic matter built of the first two fermion families is only taken into account. In this case also the 5-th force problem is resolved automatically.

研究の動機と目的

• 宇宙の一致問題を解消するために、ニュートリノの性質とダークエネルギーの進化を動的に結びつけること。
• 非相対論的ニュートリノが修正されたフェルミオンのエネルギー運動量テンソルを介して、ダークエネルギーに類似した状態に遷移できるかを検討すること。
• ダークセクターの全エネルギー密度がCLEP状態で最小化されることを示し、ニュートリノを含む真の真空である可能性を示すこと。
• 第一・第二世代のフェルミオンのみを考慮した場合に一般相対性理論に還元される理論を構築することで、第五力問題を解決すること。

提案手法

• トポロジカル密度 $\Omega$ とスカラー場 $\phi$ の結合から生じる非正規のフェルミオン項 $\propto g_{\mu\nu}\bar{\Psi}\Psi$ を持つ場の理論を定式化する。
• スカラー場 $\phi$ を統合して、修正されたフェルミオンのエネルギー運動量テンソルを持つ有効作用を導出する。
• 2つの独立した測度 $\Phi$ と $\sqrt{-g}$ を用いた2つの測度理論（TMT）を適用し、フェルミオン質量と真空エネルギーの間の動的相互作用を可能にする。
• 有効ポテンシャル $U^{(\text{tot})}_{\text{dark}}(\phi) = \Lambda + V_{q-l}(\phi)$ を導出し、$\Lambda = \frac{V_2 + |k|V_1}{(b-k)^2}$ および $V_{q-l}(\phi) \propto M^4 e^{-2\alpha\phi/M_p}$ とする。
• CLEP条件 $\zeta \approx -k$ の下で宇宙論的運動方程式を解き、$a(t)$ と $\phi(t)$ の解析的解を得る。
• スケール因子 $a \to \infty$ の極限において、ニュートリノ質量 $m_N \sim a^{3/2}$ と圧力 $P_N \to -\rho_N$ のスケーリングを分析し、ダークエネルギーに類似した振る舞いを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非相対論的ニュートリノは、$w \to -1$ に近づく状態へと動的に進化可能か、すなわちダークエネルギーに類似した性質を示せるか？
• RQ2 CLEP状態におけるフェルミオン物質の存在が、フェルミオンを含まない真空中よりも全ダークエネルギー密度を低く抑えるか？
• RQ3 2つの測度理論（TMT）は、第五力を導入せずにフェルミオン物質からダークエネルギーへの一貫した遷移を可能にするか？
• RQ4 自発的スケール対称性の破れは、ダークエネルギーセクターの有効ポテンシャルを生成する上で果たす役割は何か？
• RQ5 このモデルは、スケール因子とスカラー場の有効な解析的解を伴い、遅い時間における加速膨張宇宙を再現可能か？

主な発見

• CLEP状態においてニュートリノ質量は $m_N \sim a^{3/2}$ のように増加し、動的に進化するダークエネルギー成分と整合的である。
• ニュートリノガスの有効圧力は $a \to \infty$ の極限で $P_N \to -\rho_N$ に近づき、$w \to -1$ となり、ダークエネルギーに類似した振る舞いを示す。
• 全ダークエネルギー密度 $\rho^{(\text{tot})}_{\text{dark}}$ は、フェルミオンを含まない真空中よりもCLEP状態で低く抑えられ、ニュートリノを含む真の真空である可能性を示唆する。
• 有効ポテンシャル $U^{(\text{tot})}_{\text{dark}}(\phi) = \Lambda + V_{q-l}(\phi)$ には、宇宙定数 $\Lambda$ と指数関数的ポテンシャルを持つクインテッセンスに類似した項が含まれる。
• $\alpha = \sqrt{3/8}$ の場合、解析的解が存在する：$a(t) \propto t^{1/3} e^{\lambda t}$ で、$\lambda = \frac{1}{M_p}\sqrt{\Lambda/3}$ であり、遅い時間における加速膨張を記述する。
• CLEP状態は安定であり、冷たいニュートリノの力学的性質に起因し、$V_1$、$V_2$、$M^4$ とは独立しているが、$\phi$ を介したスケール対称性の破れに依存する。