[論文レビュー] WMAP, Planck, cosmic rays and unconventional cosmologies

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、非標準的宇宙論——特にビッグバン以前のシナリオとスーパー・ブレディオン粒子——が、WMAPおよびPlanckのCMBデータおよび超高エネルギー宇宙線スペクトルに検出可能な痕跡を残す可能性を提案している。SU(2)対称性をもつスピンorial時空幾何学を用いて、標準的物質を仮定せずにハッブル的膨張を導出し、宇宙定数問題に対する自然な解決策と、ダークマターおよび初期宇宙の力学的メカニズムの代替案を提示する。

ABSTRACT

The claim by Gurzadyan et al. that the cosmological sky is a weakly random one where "the random perturbation is a minor component of mostly regular signal" has given rise to a series of useful exchanges. The possibility that the Cosmic Microwave Background radiation (CMB) data present trends in this direction would have strong implications for unconventional cosmologies. Similarly, data on ultra-high energy cosmic rays may contain signatures from new Physics generated beyond the Planck scale. It therefore seems legitimate, from a phenomenological point of view, to consider pre-Big Bang cosmologies as well as patterns where standard particles would not be the ultimate constituents of matter and the presently admitted principles of Physics would not necessarily be the fundamental ones. We discuss here prospects for some noncyclic, nonstandard cosmologies.

研究の動機と目的

• プランクスケールを越える周期的でない、非標準的宇宙論がCMBおよび超高エネルギー宇宙線データに観測可能な痕跡を残すかどうかを調査すること。
• SU(2)対称性に基づくスピンorial時空幾何学の宇宙論的・素粒子物理学的現象論的意味を検討すること。
• CMB非一様性の観測された弱いランダム性が、ビッグバン以前の物理学からの支配的で規則的な信号を反映している可能性があるかどうかを検討すること。
• 光速を超える素粒子（スーパー・ブレディオン）がダークマターおよび高エネルギー宇宙線を説明する物質の構成要素として実現可能かどうかを評価すること。
• 標準的インフレーションを仮定せずに、自然にハッブル的膨張を生じさせる幾何学的枠組みを提案すること。

提案手法

• 実ローレンツ四元ベクトルの代わりに2つの複素スピンルを用いたスピンorial時空形式を採用し、宇宙的時間は |ξ| として定義する。
• 空間的超曲面を、|ξ| = t₀ で一定の S³多様体として定義し、スピンル球面上でのSU(2)変換により空間的平行移動を記述する。
• 物質、相対性理論、重力の仮定なしに、幾何学的原則のみから相対的速度と距離のハッブル的関係を導出する。
• 超高エネルギー粒子の分散関係を二次的に変形した式を導入する：E ≈ pc + m²c³/(2p) − pcα(pc/Eₐ)²/2 であり、遷移エネルギー Eₜᵣₐₙₛ ∝ (Eₐm)¹ᐟ² である。
• cₛ ≫ c となるスーパー・ブレディオン（超光速の素粒子）が宇宙的海を形成し、チェレンコフ放射を発生させ、光速まで崩壊して通常の粒子を生成する可能性を提唱する。
• プランク長未満の距離では因果律が破綻する可能性があり、Δξ = ξ − ξ₀ が非局所的でスピンorialな枠組みにおける物理的距離を表す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビッグバン以前の物理学の痕跡は、WMAPおよびPlanckのCMBデータに、非ランダムで規則的な構造として検出可能か？
• RQ2 SU(2)変換に基づくスピンorial時空幾何学は、標準的宇宙論的仮定なしに自然にハッブル的膨張を再現できるか？
• RQ3 スーパー・ブレディオン物質はスピン1/2粒子の起源を説明でき、宇宙定数問題の動的解決策を提供できるか？
• RQ4 超高エネルギー宇宙線は、プランクスケールを越える物理学——例えば分散関係の変形やスーパー・ブレディオンの崩壊——の痕跡を保持しているか？
• RQ5 標準的相対論的運動論が破綻する根本的エネルギースケール Eₐ > Eₚₗₐₙcₖ が存在するか？ そして、宇宙線またはCMB観測によってそのスケールを調べられるか？

主な発見

• スピンorial時空幾何学は、物質、相対性理論、重力の仮定なしに、宇宙スケールで速度と距離のハッブル的関係を幾何学的原則のみから導出する。
• α = 1 の陽子について、遷移エネルギー Eₜᵣₐₙₛ ≈ 5 × 10¹⁹ eV は Eₐ ≈ 2.8 × 10²¹ GeV で発生し、プランクエネルギーの200倍以上であるため、新しい物理学のスケールを示唆する。
• 10²⁰ eV の陽子についての同様の解析では Eₐ ≈ 10³ × Eₚₗₐₙcₖ が得られ、超高エネルギー宇宙線がプランクスケールを越える物理学をプローブしている可能性を示唆する。
• cₛ ≫ c であるスーパー・ブレディオンは、非局所的因果律によって自然に半整数スピンを生成でき、光速に達するまで通常の粒子の形でチェレンコフ放射を発生させる。
• スーパー・ブレディオンの真空は、通常の物質が存在する場合にのみ、標準的量子場理論の過程を動的に生成する可能性があり、宇宙定数問題の解決策を提供する。
• このモデルは、観測されたCMB非一様性が主にランダムではなく、ビッグバン以前の物理学からの規則的信号によって支配されている可能性を示唆し、PlanckおよびWMAPデータに検出可能な痕跡を有する。