[論文レビュー] Two-Brane Models and BBN

H. Ziaeepour|ArXiv.org|Oct 17, 2000

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、歪んだ余剰次元重力における二-braneモデルを調査し、物質の圧力が低密度でも、標準的なFLRW宇宙論とは異なる可観 brane 上の宇宙論的進化を引き起こすことを示している。隠れた brane 上の状態方程式を微調整することにより、宇宙論的進化と分離可能となり、追加のスティールニュートリノを含めることで、観測された4He生成量と整合するようになる。これにより、高密度バリオンのCMBデータとの矛盾が解消される。

ABSTRACT

We obtain a class of solutions for the AdS$_5$ two-brane models by imposing the observed value of cosmological constant and Newton coupling constant on the visible brane. When all terms up to the first order of matter density are included, the cosmological evolution on the observable brane depends on the equation of state of the matter and consequently when the pressure exists, the cosmology of these models deviates from FLRW cosmology. We show that it is possible to choose the matter equation of state on the hidden brane to neutralize its contribution on the cosmological evolution of the visible brane. We compare the prediction of these models for primordial {\it $^4$He} yield with observations. In standard BBN with $n_ν^{light} = 3$ this brane model is ruled out. If in addition to 3 SM neutrinos there is one light sterile neutrino, this model reconciles the observed {\it $^4$He} yield with a high $Ω_b \sim 0.033 h^{-2}$ suggested by BOOMERANG and MAXIMA experiments.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙定数と可視 brane 上のニュートン定数をもつ二-brane AdS5 モデルにおける宇宙論的進化を調査すること。
• 可視 brane 上の物質圧力が、brane-world 様式における標準的FLRW宇宙論からの逸脱にどのように影響するかを特定すること。
• 隠れた brane の状態方程式を調整することで、その影響を可視 brane 動力学から分離できるかを検討すること。
• BOOMERANG および MAXIMA からの高バリオン密度 CMB データを踏まえ、このモデルの予測する初期核合成による4He生成量を観測的制約と照合すること。
• 標準的BBN予測と観測された4He生成量との間に生じる矛盾が、このモデルで解消可能かどうかを評価すること、特に高Ωb 条件下での状況を想定。

提案手法

• バルクに宇宙定数と局在化した brane 張力、両bran に物質寄与を含む5次元アインシュタイン方程式を解く。
• 可視 brane 上で観測された宇宙定数およびニュートン定数を境界条件として設定する。
• 物質密度の1次まで展開することで、Hubbleパラメータの進化が状態方程式に依存することを明らかにする。
• 可視 brane 上の有効Hubble進化を H² ∝ α_hot ρ_hot (1+z)⁴ として導出する。ここで α_hot は状態方程式に依存する。
• 弱い相互作用の凍結温度を修正する：T_F ∝ α^(-1/6) × 0.8 MeV となり、中性子対陽子比が変化する。
• モデルから予測される4He生成量を観測データと照合し、軽いニュートリノ数（n_ν^light = 3 または 4）を変化させて検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視 brane 上の物質の状態方程式が、二-brane モデルにおける宇宙論的進化にどのように影響するか？
• RQ2 隠れた brane の状態方程式を調整することで、その影響を可視 brane の宇宙論的力学から分離できるか？
• RQ3 このクラスの二-brane モデルにおける予測される初期4He生成量は何か？観測結果とどのように比較されるか？
• RQ4 CMB 実験から得られる高バリオン密度（Ωb ∼ 0.033h⁻²）と低観測4He生成量の矛盾を、このモデルは解消できるか？
• RQ5 スティールニュートリノの導入により、標準的BBNと観測結果との乖離が、このモデルで解消可能か？

主な発見

• 物質圧力の依存性により、低物質密度でも可視 brane 上の宇宙論的進化はFLRWから逸脱し、H² ∝ α_hot ρ_hot (1+z)⁴ となる。
• α ≈ 2/3（μL ≫ 1 かつ ρ₀ ≈ ρ_L 時）では、凍結時の中性子対陽子比が、FLRWの14.3%に対し約12.5%に低下する。
• n_ν^light = 3 の場合、モデルは観測結果と一致しないほど4He生成量が低すぎるため、標準的粒子内容では除外される。
• n_ν^light = 4（例えばスティールニュートリノを含む）の場合は、モデルの4He生成量は観測結果と整合的となり、特に高バリオン密度（Ωb ∼ 0.033h⁻²）条件下で顕著に改善される。
• 標準的BBNと異なり、初期レプトン非対称性を仮定せずとも、CMBから得られるηと観測された4Heを整合可能にする。
• 観測された小さな宇宙定数とワープ要因の間には、このクラスの解において関係があることが判明した。