[論文レビュー] Self-accelerated brane Universe with warped extra dimension

Dmitry Gorbunov, Sergey Sibiryakov|ArXiv.org|Apr 14, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、歪んだ余次元における自己加速的brane-world宇宙論を提案する。このモデルでは、$σ$-modelに類似した境界条件を満たすバルクのゲージ場を通じたbrane-バルクエネルギー移動によって、後期のde Sitter膨張が動的に生じる。このメカニズムは宇宙定数を回避し、バルク内に成長するAdS$_5$ブラックホールに起因する安定で自己持続的な加速をもたらす。ハッブルパラメータは下限により有界であり、1 TeV近辺のUV完備スケールを提示し、$Λ$CDM宇宙論と明確に区別される。

ABSTRACT

We propose a cosmological model which exhibits the phenomenon of self-acceleration: the Universe is attracted to the phase of accelerated expansion at late times even in the absence of the cosmological constant. The self-acceleration is inevitable in the sense that it cannot be neutralized by any negative explicit cosmological constant. The model is formulated in the framework of brane-world theories with a warped extra dimension. The key ingredient of the model is the brane-bulk energy transfer which is carried by bulk vector fields with a sigma-model-like boundary condition on the brane. We explicitly find the 5-dimensional metric corresponding to the late-time de Sitter expansion on the brane; this metric describes an AdS_5 black hole with growing mass. The present value of the Hubble parameter implies the scale of new physics of order 1 TeV, where the proposed model has to be replaced by putative UV-completion. The mechanism leading to the self-acceleration has AdS/CFT interpretation as occurring due to specific dynamics of conformal matter interacting with external "electric" fields. The Universe expansion history predicted by the model is distinguishable from the standard LambdaCDM cosmology.

研究の動機と目的

• 宇宙定数問題を解決するため、宇宙定数を動的な自己加速メカニズムで置き換えること。
• 負の宇宙定数に対してもロバストで、微調整や初期条件を必要としない自己加速宇宙論モデルを構築すること。
• 誘導重力なしに、brane-バルクエネルギー移動によるバルクゲージ場を用いた歪んだbrane-world設定における自己加速の実現。
• 5次元計量解を明示的に得ることで、brane上での後期de Sitter膨張に対応する場の理論的実現を提供すること。
• AdS/CFT双対性を用いて、この力学を外部電場下の conformal matter として解釈すること。

提案手法

• ハッブルパラメータがバルクへのエネルギー移動によってde Sitter状態に漸近的に到達する5次元歪んだ計量を導入する。
• バルク$U(1)$ゲージ場に$σ$-modelに類似した境界条件を課し、brane上でのその二乗値を$M^2$に固定することで、braneからバルクへの連続的エネルギーフラックスを可能にする。
• ゲージ場源を伴う5次元アインシュタイン方程式を解き、質量が増加するAdS$_5$ブラックホールに漸近する計量を導出する。
• AdS/CFT双対性を用いて、braneの力学を外部電場にさらされた conformal field theory (CFT) プラズマとして解釈し、導電率応答を計算する。
• brane上での有効なフレリッドマン方程式を導出し、ブラックホールの背後に生じる反作用が、時間の経過とともに一定のハッブルパラメータを維持することを示す。
• 解の解析的および数値的検証を行い、漸近的挙動と近似の整合性を確認。高次項補正を無視することの妥当性も検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論における自己加速は、宇宙定数や微調整なしに達成可能か？
• RQ2 歪んだ余次元を持つbrane-worldモデルが、バルク内での動的プロセスによって後期のde Sitter膨張を生成できるか？
• RQ3 成長するバルクブラックホールが、brane上での一定のハッブルパラメータを維持するために果たす役割は何か？
• RQ4 $σ$-model境界条件を満たすゲージ場によるbrane-バルクエネルギー移動が、どのように自己加速をもたらすか？
• RQ5 AdS/CFTフレームワーク内での自己加速メカニズムのCFT的解釈は何か？

主な発見

• 本モデルは、バルク内に成長するAdS$_5$ブラックホールに起因して、自己加速を達成する。このブラックホールは、宇宙定数の符号や大きさに依存せず、時間の経過とともにbrane上でのハッブルパラメータを一定に保つ。
• 後期の計量はbrane上でde Sitter空間に漸近する。5次元解は質量が増加するAdS$_5$ブラックホールを記述し、アインシュタイン方程式の解析的および数値的解によって確認された。
• ハッブルパラメータは非常に小さな正の値により下限から有界であり、任意に負の宇宙定数に対してもde Sitter膨張を保証する。これにより、リラクゼーションメカニズムの「空の宇宙」問題を回避する。
• 新しい物理学のスケールは、現在のハッブルパラメータに基づき、約1 TeVに設定される。このスケールでモデルはUV完備化されなければならない。
• このメカニズムは、AdS/CFT双対性によって、外部電場にさらされたCFTプラズマとしての conformal matter の応答として解釈可能であり、導電率はバルクゲージ場の境界摂動への応答によって計算される。
• 本モデルは$Λ$CDMとは明確に異なる膨張歴を予測する。特に、電場の低周波および高周波領域におけるハッブルパラメータの時間的変化とCFT応答関数に定量的差異が生じる。