[論文レビュー] Unitary NEC violation in P(X) cosmologies

Claudia de Rham, Scott Melville|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 33被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、単一のスカラー場がエネルギー条件（NEC）を破ることで特異性のないビッグバンのbounceを可能にするP(X)宇宙論におけるユニタリティ制約を調査する。木構造のユニタリティは、有効場理論の有効範囲内では、高次元オペレーター（シフト対称性を導入するか、微調整された係数を必要とするもの）を含めない限り、このようなNEC破れを禁じる。これにより、自然性やユニタリティが損なわれる。

ABSTRACT

A non-singular cosmological bounce in the Einstein frame can only take place if the Null Energy Condition (NEC) is violated. We explore situations where a single scalar field drives the NEC violation and derive the constraints imposed by demanding tree level unitarity on a cosmological background. We then focus on the explicit constraints that arise in P(X) theories and show that constraints from perturbative unitarity make it impossible for the NEC violation to occur within the region of validity of the effective field theory without also involving irrelevant operators that arise at a higher scale that would enter from integrating out more massive degrees of freedom. Within the context of P(X) theories we show that including such operators allows for a bounce that does not manifestly violate tree level unitarity, but at the price of either imposing a shift symmetry or involving technically unnatural small operator coefficients within the low-energy effective field theory.

研究の動機と目的

• P(X)理論の文脈において、単一のスカラー場によって駆動される特異性のない宇宙論的ビッグバンのbounceの妥当性を検討すること。
• 宇宙論的背景における木構造ユニタリティがNEC破れに課す制約を調査すること。
• 低エネルギー有効場理論フレームワーク内では、明示的なユニタリティ破れなしにNEC破れが起こり得るかどうかを特定すること。
• bounceを可能にしつつ摂動的ユニタリティを保つために高次元オペレーターが果たす役割を評価すること。
• ユニタリティ制約下での低エネルギー有効理論におけるオペレーター係数の技術的自然性を評価すること。

提案手法

• P(X)理論における単一スカラー場の有効場理論を分析し、運動項X = (∂ϕ)²に注目する。
• 宇宙論的背景における散乱振幅に対する木構造ユニタリティからの制約を導出する。
• 高次元オペレーターを含まない場合にユニタリティが破れるエネルギースケールを特定する。
• 重い自由度を統合することで高次元オペレーターを導入し、ユニタリティを回復する。
• これらの高次元オペレーターの構造に及ぼすシフト対称性の影響を検討する。
• ユニタリティ制約下での低エネルギー有効理論におけるオペレーター係数の自然性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有効場理論の範囲内で、高次元オペレーターを含めない場合、P(X)宇宙論において木構造ユニタリティを破らずに特異性のないbounceが起こり得るか？
• RQ2 単一スカラー場宇宙論モデルにおけるNEC破れに、ユニタリティが課す制約は何か？
• RQ3 高次元オペレーターは、ユニタリティを保ちつつbounceの実現可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 微調整された係数を導入しない限り、NEC破れP(X)モデルでユニタリティを維持できる条件は何か？
• RQ5 シフト対称性の導入は、NEC破れbounceにおける高次元オペレーターに起因する自然性の問題を解決できるか？

主な発見

• 有効場理論の有効範囲内では、高次元オペレーターを含めない限り、P(X)宇宙論における木構造ユニタリティはNEC破れを禁じる。
• 高次元オペレーターの導入により、明示的なユニタリティ破れなしにbounceが可能になるが、その代償としてシフト対称性の導入か、不自然に小さな係数の導入が必須となる。
• このようなオペレーターがなければ、NEC破れのエネルギースケールが有効場理論のカットオフを超えるため、EFT記述の破綻を示唆する。
• ユニタリティの要請により、より高いスケールでの新しい物理が導入され、統合された自由度を通じて取り扱わなければならない。
• 高次元オペレーターにシフト対称性を課さない限り、得られる低エネルギー有効理論は技術的に不自然になる。
• 本分析は、P(X)理論における一貫性がありユニタリティを保つbounceの実現には、最も単純なEFTフレームワークを越えた物理が必要であることを示している。