[논문 리뷰] A Possible Solution of the Cosmological Constant Problem based on Minimal Length Uncertainty and GW170817 and PLANCK Observations

Abdel Magied Diab, Abdel Nasser Tawfik|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 06.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일반화된 불확정성 원리(GUP)를 중력파 관측, 특히 GW170817과 연관시켜 우주상수 문제를 해결하는 해법을 제안한다. 중력자와 광자의 속도 차이를 통해 GUP 매개변수 β₀를 제약함으로써, 저자들은 β₀ ≲ 10⁶⁰을 도출한다. 이 값은 우도/적도 대응 관계를 통해 진공 에너지 밀도에 적용되었을 때, PLANCK 관측 결과와 일치하는 우주상수 Λ ≈ 10⁻⁴⁷ GeV⁴/ℏ³c³를 도출하며, 이는 121계단 차이의 정량적 모순을 해결한다.

ABSTRACT

We propose the generalized uncertainty principle (GUP) with an additional term of quadratic momentum motivated by string theory and black hole physics as a quantum mechanical framework for the minimal length uncertainty at the Planck scale. We demonstrate that the GUP parameter, $β_0$, could be best constrained by the the gravitational waves observations; GW170817 event. Also, we suggest another proposal based on the modified dispersion relations (MDRs) in order to calculate the difference between the group velocity of gravitons and that of photons. We conclude that the upper bound reads $β_0 \simeq 10^{60}$. Utilizing features of the UV/IR correspondence and the obvious similarities between GUP (including non-gravitating and gravitating impacts on Heisenberg uncertainty principle) and the discrepancy between the theoretical and the observed cosmological constant $Λ$ (apparently manifesting gravitational influences on the vacuum energy density), known as {\it catastrophe of non-gravitating vacuum}, we suggest a possible solution for this long-standing physical problem, $Λ\simeq 10^{-47}~$GeV$^4/\hbar^3 c^3$.

연구 동기 및 목표

• 이론적 예측과 관측된 우주상수(Λ) 값 사이의 121계단 차이를 해결하기 위해.
• GW170817 사건의 중력파 데이터를 활용하여 GUP 매개변수 β₀를 제약하기 위해.
• 우도/적도 대응과 수정된 분산 관계가 양자 진공 에너지와 관측된 Λ를 조율하는 데 어떻게 기여하는지 탐색하기 위해.
• 최소 길이 불확정성 원리가 진공 에너지 밀도에 미치는 중력적 영향과 어떻게 연결되는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 플랑크 스케일에서 최소 길이 불확정성 원리를 모델링하기 위해 이차 모멘텀 보정 항을 포함한 일반화된 불확정성 원리(GUP)를 사용하기 위해.
• 중력자와 광자의 군속도 차이를 통해 β₀를 제약하기 위해 GW170817 사건을 활용하기 위해.
• 수정된 분산 관계(MDRs)를 사용하여 중력자와 광자의 속도 차이를 계산하기 위해.
• 큰 스케일(적도, IR) 진공 에너지 효과와 짧은 거리(우도, UV) 양자 중력 보정을 연결하기 위해 우도/적도 대응을 활용하기 위해.
• GUP 보정 하에서 상태 밀도를 계산하여 진공 에너지 밀도를 추정하고 Λ를 유도하기 위해.
• 유도된 Λ를 PLANCK 2018 관측 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW170817과 같은 중력파 관측을 통해 GUP 매개변수 β₀를 제약할 수 있는가?
• RQ2 중력자와 광자의 속도 차이는 어떻게 GUP 매개변수 β₀를 제약하는가?
• RQ3 우도/적도 대응은 이론적 값과 관측된 우주상수 값 사이의 큰 격차를 설명할 수 있는가?
• RQ4 GUP 보정을 진공 에너지 밀도 계산에 통합하면 PLANCK 관측 결과와 일치하는 Λ 값을 도출할 수 있는가?
• RQ5 최소 길이 불확정성과 관측된 우주상수 사이에 물리적 메커니즘이 존재하는가?

주요 결과

• GW170817 중력파 사건을 통해 GUP 매개변수 β₀는 β₀ ≲ 10⁶⁰으로 제약된다.
• MDRs에서 유도된 중력자와 광자의 속도 차이는 β₀에 대한 직접적인 관측 제약 조건을 제공한다.
• 유도된 β₀ 값은 우주상수 Λ ≈ 10⁻⁴⁷ GeV⁴/ℏ³c³를 도출하는 진공 에너지 밀도를 제공한다.
• 이 Λ 값은 PLANCK 2018 관측 결과와 일치하며, 121계단 차이의 정량적 모순을 해결한다.
• 우도/적도 대응과 GUP 프레임워크가 함께 결합되어 우주상수 문제에 대한 일관된 양자 중력 기반 설명을 제공한다.
• GUP 기반 Λ 추정치와 PLANCK 데이터 간의 일치는 GUP가 양자 중력 현상학에서 유효한 도구임을 뒷받침한다.