[論文レビュー] Topological Defects in Cosmology

Alejandro Gangui|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、宇宙論における位相的欠陥について包括的な紹介を提供しており、特に宇宙ひもとバーティカル（vortons）—相対論的ひもが保存量子数を持つ安定なループ構造—に焦点を当てている。電磁気的補正がひもの状態方程式に与える影響が、バーティカル形成の位相空間を著しく縮小することを示しており、これにより宇宙論的バーティカル過剰問題が緩和され、そのCMBへの印影がトムソン散乱を通じて検出可能になる可能性がある。ただし、現在の推定では、自由電子の背景ノイズが圧倒的であるため、依然として観測限界以下に留まるとされている。

ABSTRACT

Topological defects are ubiquitous in condensed-matter physics but only hypothetical in the early universe. In spite of this, even an indirect evidence for one of these cosmic objects would revolutionize our vision of the cosmos. We give here an introduction to the subject of cosmic topological defects and their possible observable signatures. Beginning with a review of the basics of general defect formation and evolution, we then focus on mainly two topics in some detail: conducting strings and vorton formation, and some specific imprints in the cosmic microwave background radiation from simulated cosmic strings.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における位相的欠陥の形成と進化を理解すること。特に、宇宙ひもとバーティカルに焦点を当てる。
• 標準モデルにおける過剰生成に起因するバーティカル過剰問題を含む、バーティカルの宇宙論的意味を調査すること。
• ひもの状態方程式に対する電磁気的補正が、バーティカル形成を減少させ、過剰生成問題を緩和できるかどうかを評価すること。
• 特にトムソン散乱を通じて、CMBへのインプリントとしてのバーティカルの検出可能性を評価すること。
• 高エネルギー物理学モデルにおける導電性宇宙ひも、バリオン数の保存、およびバリオゲネシス機構との相乗的関係を探索すること。

提案手法

• 初期宇宙における対称性の破れ転移の過程で欠陥が形成されるのをモデル化するために、キッブル機構を用いる。
• 導電性宇宙ひもに保存電荷NとZを有する場合をモデル化するため、双対形式およびマクロなひも記述を適用する。
• バーティカル形成の位相空間を修正するために、ひもの状態方程式に電磁気的補正λq²を導入する。
• 電磁的結合定数の変動をモデル化するため、b ≈ 1を中心にガウス分布を用いたdN/dbを導入する。
• CMBのバイスペクトルおよび偏光インプリントをシミュレートし、検出可能性を評価する。
• CMB光子とのトムソン散乱断面積を推定するために、バーティカルの質量とサイズ（古典的電子半径の約10⁻⁴、質量は電子質量の約10⁵倍）を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ひもの状態方程式に対する電磁気的補正λq²が、バーティカル形成の利用可能な位相空間に与える影響は何か？
• RQ2 電磁気的自己結合が、どの程度宇宙論的バーティカル過剰生成を低減できるか？
• RQ3 再結合赤方偏移z ≈ 1000におけるレリックバーティカルのCMB偏光および非一様性インプリントは何か？
• RQ4 量子化された電荷および角運動量を持つバーティカルは、自由電子の支配的状態下でもCMBに識別可能な信号を生成できるか？
• RQ5 保存されたNおよびZ数を有する導電性宇宙ひもは、バリオン非対称性およびスファラロン保護にどのように寄与するか？

主な発見

• ひもの状態方程式に対する電磁気的補正λq²は、特にdN/db分布のピークがb ≈ 1である場合、バーティカル形成の利用可能な位相空間を縮小する。
• b ≈ 1を中心にガウス分布を用いたdN/db分布は、λq²が非ゼロの場合、許容区間のシフトに起因し、バーティカル密度が数個のオーダー低下する。
• 結果として得られるバーティカル数密度は、許容領域におけるdN/db曲線の下側面積に比例し、λq²が増加するに従い顕著に縮小する。
• 電弱スケールで形成されたバーティカルは、約10⁻⁴の古典的電子半径の特徴的サイズと、電子質量の約10⁵倍の質量を有する。
• 最大で約137eの高い電荷を有するが、z ≈ 1000におけるCMBトムソン散乱信号は、はるかに多数存在する自由電子によるノイズに埋もれてしまう。
• 現在の推定では、電弱スケールのバーティカルはエネルギー密度に非可視的寄与を示すが、圧倒的な電子背景のためCMBでは観測不可能である。