[論文レビュー] Vacuum energy in Quantum Field Theory and Cosmology

Adrià Gómez-Valent|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 11

ひとこと要約

本学位論文は、量子場の理論と宇宙論における真空エネルギーを調査し、走る真空モデル（RVM）とその宇宙論的意味を焦点にしている。SNIa、CMB、BAO、LSSの観測データを用いて、RVMを$Λ$CDMおよびXCDMモデルと比較し、RVMがデータにさらに適していることを示している。特に高赤方偏移のH(z)および$f(z)\sigma_8(z)$測定値を含む場合、現在の宇宙論的観測と整合する動的な真空エネルギーを支持している。

ABSTRACT

In this thesis we present detailed analyses on various running vacuum models (RVM's), in which the vacuum energy density "runs" with the cosmic expansion. The RVM's are motivated from the renormalization group formalism of Quantum Field Theory in curved spacetime. In this theoretical framework, the vacuum energy density depends explicitly on the Hubble function and its time derivative and thus does not remain constant, in contradistinction to the standard $Λ$CDM picture. Upon studying how these models fit the data, we can determine whether this dynamical behavior is favored by observations or not. Is the vacuum energy density (or more generically, the DE density) dynamical? One of the main conclusions of this dissertation is that we have indeed strong evidences in favor of the variability of the DE density throughout the cosmic history. It is shown that this variation can also be traced through other (purely phenomenological) dynamical vacuum models, together with different parametrizations of the DE (as the XCDM and CPL), and scalar field models as the Peebles-Ratra one. The statistical confidence level of these evidences reaches in some cases the 3-4$σ$ c.l., something that is unprecedented in the literature. An exhaustive explanation of the reasons why large collaborations as BOSS, Planck and DES have not been able to detect such signal in favor of the DE dynamics is provided in this thesis too.

研究の動機と目的

• 走る真空モデル（RVM）が標準$Λ$CDMモデルの代替として宇宙論的に妥当であるかを調査すること。
• 量子場の理論における真空エネルギーの役割と宇宙加速に与える影響を評価すること。
• 超新星、CMBの非等方性、BAO、大規模構造の観測データを用いてRVMをテストすること。
• XCDMやCPLなどの他のダークエネルギーパラメータ化と比較して、RVMの予測能力を評価すること。
• BAO、LSS、CMBデータの削除を含むデータセットの変化に対する結果の頑健性を検討すること。

提案手法

• RVM、$\phi$CDM、XCDM、CPLモデルを、SNIa、CMB、BAO、LSSの統合データセットにベイズ的統計フレームワークを用いてフィットする。
• WiggleZなどの調査から得られる$f(z)\sigma_8(z)$成長率データを、構造形成の進化を制約するために用いる。
• 宇宙の時計から得られる$H(z)$データを、異なるモデルにおけるハッブルパラメータの進化をテストするために用いる。
• パrameter空間（例：$(\Omega_m, \alpha)$および$(\Omega_m, \omega)$）における$\Delta\chi^2$および信頼水準（CL）の等高線を用いて、モデル比較を行う。
• データのサブセット（例：BAO、LSS、CMB）を削除することで、モデルの安定性を評価するための頑健性チェックを実施する。
• 異なるフィッティング式を用いてドラッグ期における共動音響スケール$r_s$を計算し、$r_s$の計算方法への感度をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 走る真空モデル（RVM）は、標準$Λ$CDMモデルよりも宇宙論的データにより適しているか？
• RQ2 RVMにおける真空エネルギーの動的特性の制約は、XCDMやCPLパラメータ化と比較してどのように異なるか？
• RQ3 BAO、LSS、CMBなどの主要データセットを削除した場合、推定されるパラメータやモデル選択にどのような影響を与えるか？
• RQ4 RVMは赤方偏移にわたって観測された$f(z)\sigma_8(z)$成長データをどの程度よく再現できるか？
• RQ5 音響スケール$r_s$の計算方法の違いが、最終的なモデル制約にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• RVMは、$Λ$CDMよりも全データセット（S1–S7）により良いフィットを示し、$\chi^2$値が低く、ベイズ的証拠も向上している。
• 最良のRVMパラメータは$\Omega_m \approx 0.30$および$\alpha \approx 0.002$を示しており、これはゆっくりと変化する真空エネルギー密度を示している。
• $f(z)\sigma_8(z)$データは、RVMおよび$\phi$CDMと比較して$\Lambda$CDMモデルを強く否定しており、場合によっては$\Delta\chi^2 > 10$を示している。
• BAOまたはLSSデータを除くと、特に$\Omega_m$に関して、パラメータ制約に顕著なシフトが生じ、データセットへの感受性を示している。
• パrameter $\omega \approx -0.95$を有するXCDMモデルは良好なフィットを示すが、全データ解析においてRVMよりは好まれない。
• 頑健性テストの結果、RVMの好まれる傾向は、CMBやLSSデータを削除しても安定しており、$H_0$の矛盾は依然として解消されていない。