[論文レビュー] Sterile Neutrino and Accelerating Universe

P. Q. Hung|ArXiv.org|Oct 12, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、鏡ニュートリノの質量生成と、宇宙の加速的膨張を駆動するダークエネルギーを統一的に結びつけるモデルを提案する。スカラーフィールド $\phi_S$ が真空期待値に向かってゆっくりとロールする過程において、鏡ニュートリノに小さな現在質量（約 10⁻³ eV）が与えられると同時に、一定の真空エネルギー密度（約 10⁻¹² eV⁴）が維持され、鏡ニュートリノの軽さと観測されたダークエネルギーの両方を微調整なしに説明できる。

ABSTRACT

If all three neutrino oscillation data were to be confirmed in the near future, it is probable that one might need a sterile neutrino, in addition to the three active ones. This sterile neutrino, nu_S, would be very light with mass m_{nu_S} less than or equal to 1 eV or even with m_{ν_S} approximately 10^{-3} eV according to some scenarios. Why would it be so light? On another front, recent cosmological observations and analyses appear to indicate that the present universe is flat and accelerating, and that the present energy density is dominated by a ``dark variety'', with rho_V approximately (10^{-3}eV)^4. Is it a constant? Is there a link between these apparently unrelated phenomena?

研究の動機と目的

• 鏡ニュートリノがアクティブ ニュートリノとは異なる種類の粒子であるにもかかわらず、なぜ極めて軽いかという謎を解明すること。
• ダークエネルギーの起源と鏡ニュートリノ質量生成メカニズムとの間にある可能性のある関連性を探ること。
• ゆっくりとロールするシングレット ヒッグス フィールドによる動的メカニズムを提案し、自然に小さな鏡ニュートリノ質量と一定の真空エネルギー密度の両方を生み出すこと。
• 現在のヒッグス フィールドの値が、鏡ニュートリノの現在の質量と観測されたダークエネルギー密度を決定する枠組みを提供すること。
• 宇宙が、鏡ニュートリノ質量を生み出すのと同じフィールドによって駆動される「ラテ タイムインフレーション」を経験している可能性を示唆すること。

提案手法

• スカラーフィールド $\phi_S$ を導入し、その有効ポテンシャル $V(\phi_S)$ を設計して、インフレーション的ダイナミクスを模倣するゆっくりとしたロールを可能にする。
• 鏡ニュートリノがヤコビアンカップリング $y \cdot \phi_S \cdot \bar{\nu}_S \nu_S$ を通じて質量を獲得すると仮定し、その質量が現在時刻 $t_0$ における $\phi_S(t_0)$ に比例することを示す。
• ゆっくりとしたロール近似を用いて、相転移の持続時間を計算し、$\Delta t \approx 36 / H_0 \sim 540 \times 10^9$ 年と推定する。
• 真空エネルギー密度を $\rho_V = V(0) = \sigma^4 \sim (1.6 \times 10^{-3} \text{eV})^4$ として導出し、観測されたダークエネルギー密度と一致することを示す。
• 電子へのループ誘導カップリングを推定し、$\sim 10^{-60}$ と非常に小さくなることから、重力よりもはるかに小さいため、通常の物質との有効カップリングが無視可能であることを保証する。
• シングレット ヒッグス フィールドを一定のダークエネルギーの源とみなす。これは時間に依存するクインテッセンス モデルとは対照的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラーフィールドの真空期待値の現在値によって、鏡ニュートリノの小さな質量（$\sim 10^{-3}$ eV）が自然に説明可能か？
• RQ2 鏡ニュートリノの質量とダークエネルギーの起源を同時に説明できる動的メカニズムは存在するか？
• RQ3 シングレット ヒッグス フィールドのゆっくりとしたロールが、一定のダークエネルギー密度と時間的に変化する鏡ニュートリノ質量を一貫して説明できる枠組みを提供するか？
• RQ4 現在の値が小さいスカラーフィールドの真空エネルギーから、観測されたダークエネルギー密度（$\sim 10^{-12}$ eV⁴）が生じる可能性はあるか？
• RQ5 時間的に変化する質量を生成し、ラテ タイム加速を駆動するスカラーフィールドの宇宙論的影響は何か？

主な発見

• 鏡ニュートリノ質量は、現在のシングレット ヒッグス フィールド $\phi_S(t_0)$ の値に動的に関連しており、$\phi_S(t_0)$ が小さければ、$10^{-3}$ eV にまで小さくなる可能性がある。
• ゆっくりとロールする段階の持続時間は $\Delta t \approx 540 \times 10^9$ 年と推定され、宇宙が非常に長い間加速を続けることが示唆される。
• 真空エネルギー密度は $\rho_V = \sigma^4 \sim (1.6 \times 10^{-3} \text{eV})^4$ であり、観測されたダークエネルギー密度と一致する。
• シングレット ヒッグス フィールドの電子への有効カップリングは $\sim 10^{-60}$ と推定され、重力よりもはるかに小さく、実験的制約を回避できる。
• このモデルは一定のダークエネルギー密度を予測するが、時間に依存するクインテッセンス モデルとは対照的であり、今世紀の10年以内に検証可能である。
• 将来、$\phi_S$ が真の真空値 $v_S$ に向かって進化するにつれ、鏡ニュートリノ質量は増加すると予想され、アクティブ ニュートリノとの混合が終了する可能性がある。