[論文レビュー] The Cosmological Constant Problem, Dark Energy, and the Landscape of String Theory

Raphael Bousso|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 54被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、宇宙定数問題を解決するために、観測された小さな真空エネルギーが、メタ安定な真空の多重宇宙である弦理論のランドスケープから生じると提案している。小さな暗黒エネルギーとその同時性は、高次元の真空ランドスケープにおける人為的選択によって説明され、私たちの宇宙は量子トンネル効果によって生成された多数のバブル宇宙の中の一つであり、より高いエネルギーの親真空からの崩壊によってインフレーションが引き起こされる。

ABSTRACT

In this colloquium-level account, I describe the cosmological constant problem: why is the energy of empty space at least 60 orders of magnitude smaller than several known contributions to it from the Standard Model of particle physics? I explain why the "dark energy" responsible for the accelerated expansion of the universe is almost certainly vacuum energy. The second half of the paper explores a more speculative subject. The vacuum landscape of string theory leads to a multiverse in which many different three-dimensional vacua coexist, albeit in widely separated regions. This can explain both the smallness of the observed vacuum energy and the coincidence that its magnitude is comparable to the present matter density.

研究の動機と目的

• 観測された真空エネルギーが、量子場理論の予測よりも120桁も小さい理由を説明すること。
• 多重宇宙における人為的原理を用いて、暗黒エネルギーの小ささと観測された物質密度を調和させること。
• 弦理論のランドスケープが、放射と物質を生成する宇宙論的に妥当な真空崩壊を可能にするメカニズムを示すこと。
• 観測された宇宙の均一性と、ランドスケープの不均一かつ多重宇宙的構造との間の矛盾を解消すること。

提案手法

• アインシュタインの場の方程式に宇宙定数項を含めて宇宙定数問題を分析し、観測的制約がプランク単位で |Λ| ≲ 10⁻¹²⁰ を示していることを示す。
• 量子場理論による真空エネルギーへの寄与を評価し、それが観測値を約120桁も上回ることを示す。
• 真の真空エネルギーが、量子トンネル効果とバブル核生成を通じて、弦理論の真空の広大なランドスケープから選択されることを提案する。
• 親デSitter真空の崩壊をモデル化し、低エネルギーのポケット宇宙に移行する過程を想定し、エネルギー放出がスローロールインフレーションと再熱を引き起こすことを示す。
• 核合成に十分な放射生成が可能であるという条件を用いて、親真空エネルギーを Λ_parent ≫ 10⁻⁸⁸ に制約する。
• 弦ランドスケープにおける高次元性と、隣接する真空間の大きなエネルギー差が、1次元モデルの失敗を回避することを主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ観測された真空エネルギー密度は、量子場理論の推定値に比べて極めて小さいのか？
• RQ2 微調整を必要とせずに、暗黒エネルギーの小ささをどのように説明できるか？
• RQ3 弦理論のランドスケープは、観測された真空エネルギーを生成する動的メカニズムを提供できるか？
• RQ4 成功した核合成が、ランドスケープにおける真空崩壊のエネルギースケールにどのような制約を課えるか？
• RQ5 多重宇宙が inherently 不均一であるにもかかわらず、なぜ私たちは単一で均一かつ等方的な宇宙を観測するのか？

主な発見

• 観測によって制約される観測された真空エネルギー密度は、プランク単位で |ρ_Λ| ≲ 10⁻¹²¹ であり、量子場理論の推定値よりもはるかに小さい。
• 弦ランドスケープは、広範な真空エネルギーを持つメタ安定な真空の多重宇宙を可能にし、小さな Λ に対する人為的選択を可能にする。
• 親デSitter空間からの真空崩壊は、核合成に必要な十分な放射と物質を生成でき、これにより Λ_parent ≫ 10⁻⁸⁸ である必要がある。
• ランドスケープの高次元性が、1次元モデルの失敗を防ぎ、観測と矛盾する空の宇宙を予測するのを防ぐ。
• 私たちのポケット宇宙におけるスローロールインフレーションは、真空崩壊によって引き起こされ、観測された平坦性と均一性を説明する。
• バブル衝突は指数関数的に抑制されるため、観測可能な衝突がないことはモデルと整合的であるが、将来的なCMBデータがシグネチャを検出する可能性がある。