[論文レビュー] REMOVING THE COSMOLOGICAL BOUND ON THE AXION SCALE

Gia Dvali|ArXiv.org|May 8, 1995

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 25

ひとこと要約

この論文は、ゲージ結合定数がスカラー場の期待値によって動的に決定される超対称性および超弦理論に由来するモデルにおいて、axionの崩壊定数 $f_a < 10^{12}$ GeV という宇宙論的上限が回避可能であると提唱している。このようなモデルでは、初期の強いQCD段階においてaxion場がその最小値に固定され、coherent oscillations（コherent振動）が抑制され、結果として $f_a$ がGUTスケールやプランクスケールに達する可能性が開かれる。

ABSTRACT

The current cosmological bound on the invisible axion scale may be avoided in the class of theories in which the gauge coupling constant is determined through the expectation value of some scalar field (e.g. moduli in supergravity and string theories). This leads to the cosmological scenario different from that of the standard invisible axion, since the initial values of the fields are usually far away from their true minima, allowing for the color group becoming strong in the very early universe and fixing the axion field to its minimum. The effect disappears as soon as scalar field adjusts to its present value, but the above is enough to ensure that the deviation of the axion expectation value from the minimum is negligible at the moment of the QCD phase transition and thus to eliminate the troublesome coherent oscillations. This may imply that the standard axion window does not necessarily hold in generic supergravity theories. The above observation may open a natural possibility for the existence of the axion resulting from the GUT or R-symmetry breaking.

研究の動機と目的

• axionスケールに関する宇宙論的上限 $f_a < 10^{12}$ GeV のモデルに依存しない有効性に挑戦すること。
• 超対称性および超弦理論などの動的ゲージ結合を持つ理論において、標準的不可視axionのシナリオがどのように変更可能かを調査すること。
• 特に再熱化とインフレーションを含む初期宇宙のダイナミクスが、axionのcoherent oscillationsをどのように抑制し、宇宙論的制約を回避するかを探索すること。
• axion場が高温または高エネルギー状態の段階でその最小値に駆動され、QCD相転移時に大振幅の振動が生じないことを示すこと。
• 小規模なaxion初期場の値を説明するためにアントロポチック原理が必須でないことを示し、動的安定化が自然にこれを達成できることを示すこと。

提案手法

• axionを、大きな期待値 $f_a$ を持つ自発的破れによる $U(1)_{PQ}$ 対称性からの擬スカラー・ゴルドストン粒子としてモデル化すること。
• ゲージ結合定数をスカラー場の期待値によって動的に決定するスカラー場を導入し、超対称性および超弦理論のモデルに見られるように、結合定数をスカラー場期待値の関数として記述すること。
• axion場 $a$ の有効ポテンシャルを分析し、QCDインスタントン効果による degeneracy の破れと質量 $m_a \sim \Lambda_{QCD}^2 / f_a$ の生成を含めること。
• 初期宇宙段階でスカラー場がその最小値から大きく離れている状況を想定し、インフレーションまたは再熱化段階で有効質量 $m_a \sim H$ が大きく、$a$ がゼロに固定されることを示すこと。
• QCD相転移におけるaxion coherent oscillationsのエネルギー密度を評価し、再熱温度 $T_R \ll f_a$ のとき、因子 $\sim T_R^2 / f_a^2$ で抑制されることを示すこと。
• インフレーションおよび再熱段階における量子および熱的フラクチュエーションを評価し、$H \ll f_a$ および $T_R \ll f_a$ のとき両者とも抑制されることを示し、大規模な場のずれを防ぐこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な量子場の理論において、axionスケールに関する宇宙論的上限 $f_a < 10^{12}$ GeV は回避可能か？
• RQ2 スカラー期待値によるゲージ結合定数の動的決定が、初期宇宙におけるaxion場の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 再熱化およびインフレーション段階における熱的および量子的フラクチュエーションが、axion coherent oscillationsの初期振幅にどのように影響するか？
• RQ4 axion場がQCD相転移の前に自然にその最小値に駆動されるか、それにより宇宙論的過剰閉じ込めが回避されるか？
• RQ5 小規模な初期axion場の値を説明するためにアントロポチック原理が必要か、それとも動的安定化によってこれを達成できるか？

主な発見

• ゲージ結合定数がスカラー場期待値によって決定される理論、特に一般的な超対称性および超弦理論モデルにおいて、axionスケールに関する宇宙論的上限 $f_a < 10^{12}$ GeV は回避可能である。
• 初期宇宙においてスカラー場がその最小値から大きく離れている場合、QCDは強くなり、有効質量 $m_a \sim H$ が大きく、$a=0$ に安定化することで、coherent oscillations が抑制される。
• 再熱温度 $T_R$ が $f_a$ よりもはるかに小さいとき、axion coherent oscillations のエネルギー密度は因子 $\sim T_R^2 / f_a^2$ で抑制され、$f_a$ がGUTスケールまたはプランクスケールに達する余地が得られる。
• インフレーション段階における量子フラクチュエーションもaxion場をゼロからずらす可能性があるが、$H \ll f_a$ のとき指数的に抑制され、QCD転移時の小さな場のずれが保証される。
• axionicストリングやドメインウォールなどのトポロジカルな欠陥は、$f_a$ および $m_a$ が大きな初期段階でインフレーションにより消去され、関連する宇宙論的問題を回避する。
• 初期axion場の値が非常に小さいことの説明にアントロポチック原理が不要であることが示され、動的安定化によってすべての領域で $A \ll f_a$ が自然に達成される。