[논문 리뷰] Chain Early Dark Energy: Solving the Hubble Tension and Explaining Today's Dark Energy

Katherine Freese, Martin Wolfgang Winkler|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 26.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 체인 초기 어두운 에너지(Chain EDE)를 제안하며, 이는 저에너지의 불안정한 진공 상태로 이어지는 일련의 빠른 순차적 1차 상전이를 겪는 우주의 모델이다. 스칼라 장의 에너지 밀도는 물질-복사 평형 시점에 약 10%에 도달하여 음향 길이를 줄여 허블 장애를 해결하고, 최종 터널링이 매우 느리면 오늘날의 어두운 에너지를 자연스럽게 설명할 수 있어 초기와 후기 우주의 가속을 통합적으로 기술한다.

ABSTRACT

We propose a new model of Early Dark Energy (EDE) as a solution to the Hubble tension in cosmology, the apparent discrepancy between local measurements of the Hubble constant $H_0\simeq 74$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ and $H_0\simeq 67$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ inferred from the Cosmic Microwave Background (CMB). In Chain EDE, the Universe undergoes a series of first order phase transitions, starting at a high energy vacuum in a potential, and tunneling down through a chain of every lower energy metastable minima. As in all EDE models, the contribution of the vacuum energy to the total energy density of the universe is initially negligible, but reaches $\sim 10\%$ around matter-radiation equality, before cosmological data require it to redshift away quickly -- at least as fast as radiation. We indeed obtain this required behavior with a series of $N$ tunneling events, and show that for $N>600$ the phase transitions are rapid enough to allow fast percolation and thereby avoid large scale anisotropies in the CMB. We construct a specific example of Chain EDE featuring a scalar field in a quasiperiodic potential (a tilted cosine), which is ubiquitous in axion physics and, therefore, carries strong theoretical motivation. Interestingly, the energy difference between vacua can be roughly the size of today's Dark Energy (meV scale). Therefore, the end result of Chain EDE could provide a natural explanation of Dark Energy, if the tunneling becomes extremely slow in the final step before the field reaches zero (or negative) energy. We discuss a simple mechanism which can stop the scalar field in the desired minimum. Thus Chain EDE offers the exciting prospect to explain EDE and Dark Energy by the same scalar field.

연구 동기 및 목표

• 지역 측정값 $H_0 \approx 74\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 와 CMB에서 추정된 $H_0 \approx 67\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 사이의 허블 장애를 해결하기 위해 초기 우주의 팽창 역사에 변화를 주기 위해.
• 단일 상전이 EDE 모델의 한계를 극복하기 위해, 고립된 기포 생성으로 인해 큰 스케일 CMB 이방성의 위험이 있는 단일 상전이 모델을 피하기 위해.
• 물질-복사 평형 이후 EDE 에너지 밀도가 빠르게 감쇠되도록 하되, CMB 이방성 제약 조건을 위반하지 않는 실현 가능한 EDE 모델을 구축하기 위해.
• 최종 터널링이 억제될 경우, 동일한 스칼라 장이 오늘날의 어두운 에너지를 설명할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 악시온 물리학에서 흔히 볼 수 있는 편향된余弦(tilted cosine)과 같은 준주기 잠재력에 기반한 이론적 동기를 제공하는 프레임워크를 제안하여 상전이의 사슬을 실현하기 위해.

제안 방법

• 우주가 $N$개의 불안정한 진공 상태로 이어지는 일련의 1차 상전이를 겪는 것으로 모델링하며, 각 진공 상태는 점점 낮아지는 진공 에너지를 가진다.
• 악시온 물리학에서 영감을 얻은 준주기 잠재력(편향된余弦)을 사용하여 최소값의 사슬을 실현하며, 이는 $N > 600$개의 전이를 자연스럽게 수용할 수 있다.
• 개별 진공 상태의 수명이 $\lesssim$ 몇 년 이내가 되도록 하여 각 터널링 사건이 빠르게 확산되고 재가열되도록 하여 큰 스케일 CMB 이방성을 피한다.
• 시작 시기의 터널링을 억제하고 동기화된 기포 생성을 가능하게 하기 위해, 트리거 장이나 릭세이션 유사 후작용과 같은 시간에 따라 변화하는 메커니즘을 통해 터널링 확률를 제어한다.
• 물질-복사 평형 이후 EDE 에너지 밀도가 빛과 비슷한 속도로 급격히 감쇠되도록 하기 위해, $N$개의 전이가 누적된 효과로 빠른 붕괴를 유도한다.
• 최종 최소값에 장이 멈추도록 하는 메커니즘을 제안한다. 예를 들어, 두 번째 스칼라 장의 후작용을 통해 잔류 진공 에너지가 오늘날의 어두운 에너지 밀도(메이브 스케일)와 일치하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 기포 생성으로 인한 관측 가능한 CMB 이방성 없이, 1차 상전이의 사슬이 물질-복사 평형 시점에서 약 10%로 증가하고 이후 급격히 감쇠되는 EDE 행동을 재현할 수 있는가?
• RQ2 개별 진공 상태의 수명이 짧아야 하므로 ($\lesssim$ 몇 년), CMB 이방성 제약 조건을 만족시키기 위해 필요한 최소 전이 수 $N$는 얼마인가?
• RQ3 최종 터널링이 억제되어 작은, 장수한 진공 에너지가 남는다면, EDE를 담당하는 동일한 스칼라 장이 오늘날의 어두운 에너지를 설명할 수 있는가?
• RQ4 편향된余弦과 같은 준주기 잠재력이 $N > 600$개의 불안정한 진공 상태를 유지하면서도 필요한 터널링 역학을 유지할 수 있는가?
• RQ5 인플레이션, EDE, 그리고 현재의 어두운 에너지가 모두 동일한 스칼라 장이 순차적 터널링을 통해 단일 잠재력 지형에서 유래할 수 있는 자기 일관된 모델을 구축할 수 있는가?

주요 결과

• 체인 EDE는 $N > 600$개의 빠르고 확산되는 상전이를 누적하여 물질-복사 평형 시점에서 약 10%로 증가하고, 빛보다도 더 빠르게 감쇠되는 EDE 행동을 달성한다.
• 개별 진공 상태의 수명이 $\lesssim$ 몇 년이므로, 모델은 현재 CMB 및 대규모 구조(LSS) 데이터에서의 관측 제약 조건을 만족시키며 큰 스케일 CMB 이방성을 피한다.
• 물질-복사 분리 시점의 음향 길이를 줄여 CMB에서 추정된 $H_0$가 지역 측정값과 일치하도록 함으로써 허블 장애를 해결한다.
• 연속적인 진공 상태 간의 에너지 차이는 오늘날 어두운 에너지 밀도와 비슷한 크기(메이브 스케일)일 수 있으며, 이는 EDE와 후기 우주의 가속을 통합적으로 설명할 수 있다.
• 최종 터널링 단계가 매우 느리게 이루어져, 장이 잔류 진공 에너지가 오늘날 어두운 에너지와 일치하는 최소값에 갇히도록 할 수 있으며, 이 경우 수명이 우주의 나이를 초월해야 한다.
• 단일 스칼라 장이 준주기 잠재력(편향된余弦)에 의해 실현될 수 있으며, 이는 악시온 물리학에서의 강력한 이론적 동기를 제공하고 $N \gtrsim 10^4$개의 전이로 자연스럽게 이어진다.