[論文レビュー] The H0 tension conundrum: did a QCD meV axion emerge?

M. Cerdonio|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、初期宇宙と後期宇宙におけるハッブル定数の測定値の間にあるH0緊張—それらの差異—が、新たな軽いボソン粒子の出現に起因すると提案している。具体的には、数meVの範囲にある質量のQCDアクシオンがその対象である。ローレンツ不変な真空エネルギーの正則化を用いることで、観測された有効な宇宙定数の変化が、その粒子のエネルギー密度と関連づけられ、このようなアクシオンがH0緊張を解消可能であり、最近の実験的提案によって検出可能である可能性を示唆している。

ABSTRACT

I discuss the possibility that the difference in the measured Hubble constant Ho between the current, Late, and the z ~1100, Early, epochs is due to the emergence in between of a new particle. I connect that difference with a change in the effective cosmological constant observed by LambdaCDM, which is induced by the energy density of the vacuum of the field of the new particle. Then I try to provide the main characteristics of the particle, boson vs fermion and mass, using the measured change in Ho and a Lorentz invariant regularization of the energy density of vacuum, which relates it to such characteristics. The result indicates that a boson of mass in the range of few meV emerged. A QCD post-inflation cosmological axion in this mass range is allowed by recent analysis and its detection may be attempted according to recent experimental proposals.

研究の動機と目的

• 初期宇宙と後期宇宙におけるハッブル定数の測定値の間の持続的H0緊張を解消すること。
• 初期宇宙と後期宇宙の宇宙論的時代の間で新たな粒子が出現することで、観測されたHoの差異が説明可能かどうかを検討すること。
• 観測されたH0のずれと真空エネルギー正則化を用いて、そのような粒子の主要な性質（質量、スピン、統計）を特定すること。
• 数meVの範囲にあるQCDアクシオンが、H0緊張を解消する候補として実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 新たな粒子場の真空エネルギー密度によって誘導される有効な宇宙定数の変化をモデル化すること。
• 新たな粒子場の真空エネルギー密度を計算するためにローレンツ不変な正則化を適用すること。
• 再結合以降に粒子が出現したと仮定し、観測されたHoのずれを新たな粒子のエネルギー密度に関連付けること。
• 測定されたH0の差異から、粒子の質量とスピン（ボソン対フェルミオン）に関する制約を導出すること。
• エネルギー密度の関係を用いて、粒子が数meVの範囲にある軽いボソンでなければならないことを推論すること。
• QCDアクシオンモデルと最近の実験的検出提案との整合性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙と後期宇宙の宇宙論的時代の間に新たな軽い粒子が出現することで、H0緊張を説明可能だろうか？
• RQ2 真空エネルギー効果を通じて観測されたH0のずれを説明するには、新たな粒子がどのような質量とスピン特性を持つ必要があるか？
• RQ3 数meVの質量範囲にあるQCDアクシオンは、H0緊張から導かれた制約と整合的だろうか？
• RQ4 ローレンツ不変な正則化による真空エネルギーは、有効な宇宙定数の観測された変化とどのように関連するか？
• RQ5 提案された粒子は、現在または近い将来の実験的アクシオン検出研究によって探査可能だろうか？

主な発見

• 真空エネルギー効果を通じて観測されたH0のずれを説明するには、数meVの範囲にある軽いボソン粒子が必要である。
• その粒子の出現により、ΛCDMフレームワーク内での有効な宇宙定数に測定可能な変化が生じる。
• モデルは粒子がボソンであると予測しており、アクシオンに類似た振る舞いとQCDアクシオンの物性論と整合的である。
• ローレンツ不変な方法による正則化を施した新たな粒子の真空エネルギー密度は、H0のずれが示唆するエネルギースケールと一致する。
• 予測されたアクシオン質量範囲は、最近の宇宙論的解析と整合的であり、近い将来の実験的提案の感度範囲内にある。
• これらの結果は、新たな基本粒子を通じてH0緊張を解消する現実的で検証可能なメカニズムを示唆している。