[論文レビュー] Probing Particle Physics from Top Down with Cosmic Strings

Robert Brandenberger|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 67被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、標準模型を越える場理論における位相的安定な欠陥である宇宙ひもを、宇宙論的観測を通じて高エネルギー粒子物理学を調べるプローブとして使用することを提案する。CMB温度/偏光マップ、大規模構造調査、21cm赤方偏移調査における重力的効果を分析することで、この研究は、位置空間においてひも信号が最も顕著であることを示している。その特徴的なシグナルとして、CMB温度における線分断絶、長方形のBモード偏光パターン、21cm強度マップにおける細い楔状構造が得られ、プランクスケールに近いエネルギースケールにおける新物理のトップダウン的制約が可能になる。

ABSTRACT

Making use of the wealth of new observational data coming from the sky it is possible to constrain particle physics theories beyond the Standard Model. One way to do this is illustrated in this article: a subset of theories admits cosmic string solutions, topologically stable matter field configurations. In these models, a network of cosmic strings inevitably forms in the early universe and persists to the present time. The gravitational effects of these strings leads to cosmological signatures which could be visible in current and future data. The magnitude of these signatures increases as the energy scale of the new physics involved in cosmic string formation increases. Thus, searching for cosmological signatures of strings is a way to probe particle physics model "from top down", as opposed to "from bottom up" as is done using data from accelerators such as the Large Hadron Collider. Different ways of searching for cosmic strings are illustrated in this article. They include Cosmic Microwave Background temperature and polarization anisotropy maps, Large Scale Structure optical and infrared surveys, and 21cm intensity maps.

研究の動機と目的

• 宇宙ひも—標準模型を超える理論における位相的に安定した場の配置—が、高エネルギー物理学の宇宙論的プローブとしてどのように機能できるかを調査すること。
• 現在および将来の宇宙論的データセットにおける宇宙ひもの特徴的な観測的シグナルを特定・特徴づけること。
• 位置空間統計がフーリエ空間手法よりも、ひも信号を検出する際に優れていることを示すこと。
• CMB、大規模構造、21cm強度マッピングの異なる観測窓において、ひものウェークとループの検出可能性を比較すること。
• 非位相的および超伝導的ひもへの分析を拡張し、これらが初期宇宙で形成され得る可能性と、それらが残す特徴的なインプリントを検討すること。

提案手法

• 宇宙ひもネットワークの進化を記述する一スケールの玩具モデルを用い、CMB非一様性および大規模構造に及ぼすひもの重力的効果をシミュレーションする。
• 線形摂動理論を適用して、バリオン-光子流体に及ぼされるひもウェークによる密度および速度摂動を計算する。
• ひもウェークが引き起こす21cmの輝度温度揺らぎを計算し、一次元ウェークと比較して三次元での過密度が高まっている点を考慮する。
• CMBおよび21cmマップにおけるひもウェーク信号の角振幅スペクトルを導出し、位置空間の特徴がフーリエ空間のパワースペクトルよりも顕著であることを示す。
• 数値シミュレーションと解析的近似を用いて、ひもウェークの進化をモデル化し、低ひも張力における拡散減衰効果を含む。
• 信号の振幅を観測ノイズレベルと比較して、さまざまな赤方偏移およびひも張力における検出可能閾値を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ひもウェークは、CMB温度および偏光マップに検出可能なシグナルを生じるか。その特徴的な空間的パターンは何か。
• RQ2 宇宙ひもウェークによる21cm強度揺らぎの振幅および形状は、他の天体物理学的源と比べてどのように異なるか。
• RQ3 なぜ位置空間統計が、ひも信号を検出する際にフーリエ空間パワースペクトルよりも優れているのか。
• RQ4 21cmおよびCMB調査において、ひもウェークとひもループの相対的な検出可能性はどのようになるか。また、それらの信号振幅はひも張力にどのように依存するか。
• RQ5 非位相的または超伝導的宇宙ひもは、標準的な位相的ひもと比較して、宇宙論的シグナルにどのように影響を与えるか。

主な発見

• 宇宙ひもウェークは、CMB温度マップに線分断絶を生じさせ、線形に増加する振幅と一定の角度を持つ長方形の偏光パターンを示し、直接的なBモード偏光を含む。
• 21cm信号におけるひもウェークは、空に広がるが赤方偏移方向に非常に細い楔状構造として現れ、他の源とは明確に異なる。
• 三次元での過密度の影響により、1次元ウェークと比較して21cm信号の振幅は約16倍大きくなるが、ループ信号には特徴的な幾何学的形状がない。
• ひもウェークの信号対ノイズ比は、現在の観測限界より1桁低いひも張力まで、ノイズレベルを超えて維持され、これからの調査で検出可能であることが示唆される。
• 位置空間の信号振幅は、未知のスケーリングパラメータNにほとんど依存しないが、複数のひもウェークが空で重なった場合を除く。
• 拡散減衰は非常に低い張力におけるひもウェーク信号を低下させ、信号が増大し続けるのではなく、定常値に漸近することをもたらす。