[論文レビュー] The Cosmology - Particle Physics Connection

Mark Trodden|ArXiv.org|May 26, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、素粒子物理学と宇宙論の深い関係を検討し、特にTeVスケールの衝突実験が、ダークマター、バリオン非対称性、および宇宙定数問題といった根本的な宇宙論的謎を解明する手がかりを提供できるかに焦点を当てる。未来の衝突実験における精度測定が、階層問題と真空エネルギー問題を解消する可能性があり、特に超対称性の発見とその研究を通じて、ダークエネルギーの小ささを説明できるかもしれないと主張している。

ABSTRACT

Modern cosmology poses deep and unavoidable questions for fundamental physics. In this plenary talk, delivered in slightly different forms at the {\it Particles and Nuclei International Conference} (PANIC05) in Santa Fe, in October 2005, and at the {\it CMB and Physics of the Early Universe International Conference}, on the island of Ischia, Italy, in April 2006, I discuss the broad connections between cosmology and particle physics, focusing on physics at the TeV scale, accessible at the next and future generations of colliders

研究の動機と目的

• 観測的宇宙論の進展にもかかわらず未解決のまま残っている中心的な宇宙論的謎、すなわちダークマター、バリオン非対称性、およびダークエネルギーを特定すること。
• 特にTeVスケールで観測可能な素粒子物理学モデルが、これらの宇宙論的問題の解決にどのように寄与できるかを検討すること。
• 将来の衝突実験が、ダークエネルギーの性質を解明する上で果たす可能性のある役割、特に超対称性の発見とその研究を通じて検討すること。
• 観測された宇宙定数の小ささが、超対称性の破れといったメカニズムによって説明可能かどうか、特にプランクスケールから大きく離れたスケールであっても検討すること。
• 衝突実験の物理学と観測的宇宙論が、宇宙のエネルギー予算と基本的対称性を解明する上で今や切り離せない関係にあると主張すること。

提案手法

• Type Ia超新星および宇宙マイクロ波背景放射（CMB）からの高精度データを用いて、宇宙のエネルギー予算を分析し、平坦で加速する宇宙がダークエネルギー（70％）、ダークマター（25％）、バリオン物質（5％）で支配されていることを確認する。
• Sakharovのバリオン生成のための3条件（バリオン数の破れ、CおよびCP対称性の破れ、熱平衡からの逸脱）を適用し、電弱スケールおよびGUTスケールのメカニズムを評価する。
• 高温状態における電弱理論の非摂動的過程、たとえばスファレオン遷移がバリオン数を破れる可能性を検討する。
• 量子場の理論における階層問題と真空エネルギー発散を検討し、プランクスケールにおける真空エネルギー密度を $\rho_{\rm vac} \sim M_{\rm P}^4$ と推定する。
• 超対称性がフェルミオンとボソンの寄与によって真空エネルギー寄与をキャンセル可能であることを検討し、TeVスケールで破れると $\rho_{\rm vac} \sim M_{\rm SUSY}^4$ と予測される。
• 理論的予測（観測値の10^{120}倍大きい）と観測値（$\sim (10^{-3}~\text{eV})^4$）との乖離を比較し、宇宙定数問題を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeVスケールの衝突実験は、電弱スケールのバリオン生成およびダークマター生成の既存モデルの証拠を示すか、あるいは否定できるか？
• RQ2 理論的予測の真空エネルギー密度は、なぜ観測値ほどに小さいのか？
• RQ3 衝突実験で超対称性が発見されると、階層問題と宇宙定数問題をどのように解決できるか？
• RQ4 超対称性の破れスケールと観測された宇宙定数の小ささとの間にどのような関係があるか？
• RQ5 将来の衝突実験における高精度測定は、物質とダークエネルギー密度が今日ほぼ同程度であるという一致問題を説明する新しい物理学を示唆できるか？

主な発見

• 宇宙のエネルギー予算は、Type Ia超新星およびCMBデータ（$l \simeq 220$のピークを伴う）により強く支持され、ダークエネルギー（70％）、ダークマター（25％）、バリオン物質（5％）で支配されている。
• 宇宙のバリオン非対称性は、WMAP CMB音響ピーク測定から得られる $\eta = 6.1 \times 10^{-10}$（精度 $^{+0.3}_{-0.2} \times 10^{-10}$）で定量化されている。
• Sakharovの条件（バリオン数の破れ、CおよびCP対称性の破れ、熱平衡からの逸脱）はバリオン生成に不可欠であり、電弱バリオン生成は有力な候補であるが、最小限の標準模型ではCP対称性の破れが不十分であるため失敗する。
• 宇宙定数問題は、理論的真空エネルギー（$\sim (10^{18}~\text{GeV})^4$）と観測値（$\sim (10^{-3}~\text{eV})^4$）との間で120桁の乖離に起因する。
• 超対称性は真空エネルギー寄与をキャンセル可能であるが、TeVスケールで破れると $\rho_{\rm vac} \sim (10^3~\text{GeV})^4$ と予測され、依然として60桁分大きすぎるため、より深い問題を示唆している。
• 超対称性の発見とその破れスケールの理解は、真空エネルギー問題とダークエネルギーの性質を解明する上で重要な手がかりを提供するが、衝突実験の物理学だけでは直接的に解決できない可能性がある。