[논문 리뷰] Anti-de Sitter $ o$ de Sitter transition driven by Casimir forces and mitigating tensions in cosmological parameters

Luis A. Anchordoqui, Ignatios Antoniadis외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 19.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 45인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 부피장에서의 카시미르 에너지를 통해 반데시터(AdS)에서 데시터(dS)로의 진공 전이를 가능하게 하는 양자장이론적 메커니즘을 제안하며, 천문학적 관측에서의 $H_0$ 및 $S_8$ 갈등을 해결한다. 카시미르 상승 효과는 캄프act화화된 반경을 변화시켜 종류 스케일을 감소시키고 엔트로피를 증가시키며, $z_c \sim 2$에서 양의 우주론적 상수를 가진 준안정적인 dS 진공을 가능하게 한다. 이는 관측 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

Over the last few years, low- and high-redshift observations set off tensions in the measurement of the present-day expansion rate $H_0$ and in the determination of the amplitude of the matter clustering in the late Universe (parameterized by $S_8$). It was recently noted that both these tensions can be resolved if the cosmological constant parametrizing the dark energy content switches its sign at a critical redshift $z_c \sim 2$. However, the anti-de Sitter (AdS) swampland conjecture suggests that the postulated switch in sign of the cosmological constant at zero temperature seems unlikely because the AdS vacua are an infinite distance appart from de Sitter (dS) vacua in moduli space. We provide an explanation for the required AdS $ o$ dS crossover transition in the vacuum energy using the Casimir forces of fields inhabiting the bulk. We then use entropy arguments to claim that any AdS $ o$ dS transition between metastable vacua must be accompanied by a reduction of the species scale where gravity becomes strong. We provide a few examples supporting this AdS $ o$ dS uplift conjecture.

연구 동기 및 목표

• 우주론에서 지속적인 $H_0$ 및 $S_8$ 갈등을 우주의 상수 부호의 동적 전환을 통해 해결하고자 한다.
• 스와플랜드 추측이 이러한 전이를 금지하는 데 대비하여, 카시미르 에너지를 통한 양자장이론적 메커니즘을 통해 AdS에서 dS로의 진공 전이를 제공하고자 한다.
• AdS→dS 전이가 종류 스케일을 감소시키고 엔트로피를 증가시켜 열역학 원칙과 일치함을 보여주고자 한다.
• 5차원 중력, 게이지 장, 와이어 뉴트리노 등의 구체적 모델을 구성하여 전이가 $\Delta N_{\rm eff} \approx 0.3$를 유도함을 보이며, 이는 플랑크 관측 결과와 일치함을 보여주고자 한다.
• 엔트로피와 종류 스케일 논거를 사용하여 $z_c \sim 2$인 $\Lambda_s$CDM 모델의 타당성을 탐색하고자 한다.

제안 방법

• 콤���팩티피케이션 반경 $R$ 에서의 제곱형 잠재에너지 $V_{\rm AdS}(R) = \frac{1}{R_0^6}(R - R_0)^2 - \frac{1}{R_0^4}$ 를 사용하여 AdS 진공을 모델링한다.
• 부피장에서 기인하는 양자 보정으로서 양의 카시미르 에너지 $V_C(R,a) = \frac{a}{R^4}$ 를 도입하여 총 잠재에너지 $V(R,a) = V_{\rm AdS}(R) + V_C(R)$ 를 구성한다.
• 진공 에너지가 0이 되는 임계값 $a^c \approx 4.28$ 를 식별하며, 이때 $R_1^c = \frac{5}{3}R_0$ 이다.
• 모든 $a > a^c$ 에서 $V(R,a)$ 의 최소값은 $R_1 > R_1^c$ 에 위치하며, 이는 양의 진공 에너지를 의미하므로 dS 진공이 된다.
• 카루차-클라인 모드와 스핀 상태로부터 효과적인 상대론적 종류 수 $\Delta N_{\rm eff}$ 를 계산하여, $\Delta N_{\rm eff} \approx 0.27$ 또는 $0.30$ 이 됨을 보여주며, 이는 어두운 영역의 성격에 따라 달라진다.
• 엔트로피 논거를 사용하여, AdS→dS 전이에서는 종류 스케일 $M_*$ 가 감소해야 하며, $M_* \sim (m_{\rm KK})^{1/3} M_p^{2/3}$ 이며, 전이 중 엔트로피가 증가함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부피장의 양자장에서 기인하는 카시미르 에너지가 준안정적인 AdS에서 dS로의 진공 전이를 매개할 수 있는가? 이는 천문학적 갈등을 해결하는 데 기여하는가?
• RQ2 제안된 전이 메커니즘은 AdS 스와플랜드 추측을 만족하는가? 이 추측은 AdS와 dS 진공 간의 유한한 거리 전이를 금지한다.
• RQ3 진공 전이가 효과적인 상대론적 종류 수 $\Delta N_{\rm eff}$ 에 어떤 영향을 미치며, 이는 플랑크 관측 결과와 일치하는가?
• RQ4 종류 스케일 $M_*$ 의 감소는 AdS→dS 전이 중 엔트로피 증가와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 $z_c \sim 2$ 전이를 가진 $\Lambda_s$CDM 모델은 $H_0$ 및 $S_8$ 갈등을 동시에 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 카시미르 에너지 $V_C(R,a) = \frac{a}{R^4}$ 는 AdS 잠재에너지의 상승을 유도하며, 최소 반경을 $R_0$ 에서 $R_1 > R_0$ 으로 이동시킨다. $a \to a^c \approx 4.28$ 일 때 $R_1 \to R_0$ 가 된다.
• 모든 $a = 16$ 에서 최소점에서의 진공 에너지는 $V(R_1 = 2R_0, a = 16) = \frac{1}{R_0^4} > 0$ 이며, 이는 안정한 dS 진공을 확인한다.
• 진공 에너지가 0이 되는 임계 반경은 $R_1^c = \frac{5}{3}R_0$ 이며, $a > a^c$ 일 때 진공 에너지가 양이 되어 dS 단계가 가능해진다.
• 콤팩티피케이션 반경이 $8~\mu{\rm m}$ 에서 $10~\mu{\rm m}$ 으로 증가함에 따라 종류 스케일 $M_*$ 는 $M_*^{\rm(AdS)} \sim 155~{\rm meV}$ 에서 $M_*^{\rm(dS)} \sim 123~{\rm meV}$ 로 감소한다.
• 효과적인 상대론적 종류 수 $\Delta N_{\rm eff}$ 는 5차원 중력장과 게이지 장의 경우 $0.27$, 복소 스칼라 어두운 영역의 경우 $0.30$ 이며, 모두 플랑크 95% 신뢰구간 범위 내에 있다.
• AdS→dS 전이 중 엔트로피가 증가하므로, 이 메커니즘의 물리적 타당성이 뒷받침되며, 더 작은 $R$ 으로의 전이는 열역학적으로 금지됨을 시사한다.