[論文レビュー] Quintessential Inflation, Unified Dark Energy and Dark Matter, and Higgs Mechanism

Eduardo Guendelman, Emil Nissimov+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、非リーマン的時空体積形式を用いて、1つのスカラー場（'ダークオン'）とインフレートン場を用いて、初期宇宙のインフレーションおよび後期宇宙のダークエネルギー／ダークマターを統一的に記述する重力-物質モデルを提案する。形式的枠組みにより、動的に誘導された計量定数とダスト的ダークマターが生成されるとともに、後期宇宙において重力によって誘導される電弱対称性の spontaneously broken が可能となり、インフレーション期にはヒッグス場が質量ゼロのまま保たれる。

ABSTRACT

We describe a new type of gravity-matter models where gravity couples in a non-conventional way to two distinct scalar fields providing a unified Lagrangian action principle description of: (a) the evolution of both "early" and "late" Universe - by the "inflaton" scalar field; (b) dark energy and dark matter as a unified manifestation of a single material entity - the "darkon" scalar field. The essential non-standard feature of our models is employing the formalism of non-Riemannian space-time volume forms - alternative generally covariant integration measure densities (volume elements) defined in terms of auxiliary antisymmetric tensor gauge fields. Although being (almost) pure-gauge degrees of freedom, the non-Riemannian space-time volume forms trigger a series of important features unavailable in ordinary gravity-matter models. When including in addition interactions with the electro-weak model bosonic sector we obtain a gravity-assisted generation of electro-weak spontaneous gauge symmetry breaking in the post-inflationary "late" Universe, while the Higgs-like scalar remains massless in the "early" Universe.

研究の動機と目的

• 非リーマン的重力-物質作用を用いて、1つのスカラー場（'ダークオン'）としてのダークエネルギーとダークマターを統一すること。
• 1つの統一的インフレートン場を用いて、初期宇宙のインフレーションと後期宇宙のダークエネルギー支配を、1つの力学的枠組みで記述すること。
• インフレーション後期に電弱対称性の破れを動的に生成するとともに、インフレーション期にはゲージ対称性を保つこと。
• 補助的な反対称テンソル場が時空統合測度を変更し、重力および物質結合に新たな物理的効果をもたらす役割を解明すること。

提案手法

• 補助的ランク3反対称テンソル場 Cμνλ を用いて定義される非リーマン的時空体積形式 Φ(C) を用いて、重力統合測度を修正する。
• リーマン的 √−g と非リーマン的 Φ(C) 体積形式の両方にスカラー場のラグランジアンが対称的に結合された、修正された重力-スカラー作用を構築する。
• 測度場 Cμνλ の運動方程式から、L(u,Y) = −2M₀ = const という動的制約を導出し、定常なエネルギー密度寄与を生成する。
• 同じ非リーマン的構造に結合された第二のスカラー場（インフレートン）を導入し、初期宇宙と後期宇宙の両方の宇宙論的状態を統一的に記述する2つの平坦領域を持つ有効ポテンシャルを生成する。
• SU(2)×U(1) 電弱系に系を結合させ、後期宇宙ではヒッグス様ポテンシャルが出現する一方で、インフレーション期にはヒッグス質量がゼロのまま保たれるようにする。
• 非リーマン的体積形式に関連する隠れたネーター対称性を用いて、エネルギー運動量テンソルの保存を保証し、力学の整合性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非リーマン的重力-物質作用を用いて、ダークエネルギーとダークマターを1つのスカラー場の2つの顕現として統一できるか？
• RQ2 同じスカラー場系が、初期宇宙のインフレーションと後期宇宙のダークエネルギー支配を両方記述できるか？
• RQ3 非リーマン的体積形式の導入が、動的に誘導された計量定数とダスト的ダークマターをどのようにもたらすか？
• RQ4 重力によって誘導される対称性の破れが、後期宇宙において電弱ヒッグスポテンシャルを生成できるか。また、インフレーション期にはヒッグス場が質量ゼロのまま保たれるか？
• RQ5 補助的な反対称テンソル場が、重力および物質結合における新たな物理的効果を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• 非リーマン的体積形式 Φ(C) は、L(u,Y) = −2M₀ = const という動的制約を生じさせ、定常なエネルギー密度項を生成し、これを動的に誘導された計量定数として解釈できる。
• ダークオン場のエネルギー運動量テンソルは2つの部分に分解される：計量定数に類似した項 −2gμνM₀ と、∂μu∂νu に比例するダスト的流体項で、ダークエネルギーとダークマターを統一的に記述する。
• 非リーマン的測度に起因する隠れた非線形ネーター対称性により、エネルギー運動量テンソルの保存が保証され、力学の安定化が達成される。
• インフレートン場は、初期インフレーションと後期ダークエネルギー支配に対応する2つの無限に平坦な領域を持つ有効ポテンシャルを獲得し、クインテッサリアンインフレーションを実現する。
• 後期宇宙では、ヒッグス様スカラー場が標準的な電弱対称性の破れ形ポテンシャルを獲得するが、インフレーション期には質量ゼロのまま保たれる。
• 2つの平坦領域の間のポテンシャル障壁の相対的高さは、後期有効計量定数と同程度のオーダーであり、インフレーションとダークエネルギーの自然な関連性を示唆している。