[논문 리뷰] Cosmic microwave background polarization in Noncommutative space-time

S. Batebi, M. Haghighat외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 29.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비환원성(Non-commutative, NC) 시공간이 스칼라 메트릭 편미분을 통해 코스믹 마이크로파배경(CMB)에서 원형 및 B모드 편광을 생성하는 데 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 비환원성 보정이 10 테라전자볼트(10 TeV)에 이르는 NC 에너지 스케일에서도 검출 가능한 V모드 및 B모드 전력 스펙트럼을 생성할 수 있음을 보여주며, 이는 관측된 r-파rameter가 원초적 중력파 이외의 기여를 가질 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In the standard model of cosmology (SMC) the B-mode polarization of the CMB can be explained by the gravitational effects in the inflation epoch. However, this is not the only way to explain the B-mode polarization for the CMB. It can be shown that the Compton scattering in presence of a background besides generating a circularly polarized microwave, can leads to a B-mode polarization for the CMB. Here we consider the non-commutative (NC) space time as a background to explore the CMB polarization at the last scattering surface. We obtain the B-mode spectrum of the CMB radiation by scalar perturbation of metric via a correction on the Compton scattering in NC-space-time in terms of the circular polarization power spectrum and the non-commutative energy scale. It can be shown that even for the NC-scale as large as $10TeV$ the NC-effects on the CMB polarization and the r-parameter is significant. We show that the V-mode power spectrum can be obtained in terms of linearly polarized power spectrum in the range Micro to Nano-Kelvin squared for the NC-scale about $1TeV$ to $10TeV$, respectively.

연구 동기 및 목표

• 비환원성(Non-commutative, NC) 시공간이 수정된 콤프턴 산란을 통해 CMB에서 원형 및 B모드 편광을 생성할 수 있는지 조사하기.
• BICEP2와 Planck 결과 간의 갈등을 고려할 때, NC 효과가 관측된 B모드 편광에 대한 대안적 기여원으로서의 타당성을 평가하기.
• 현재 CMB 편광 데이터, 특히 V모드 및 B모드 전력 스펙트럼과 일치하는 비환원성 에너지 스케일 Λ의 범위를 추정하기.
• 스칼라 모드 기여를 고려할 때 NC 보정이 텐서 대 스칼라 비율 r에 미치는 영향을 정량화하기.

제안 방법

• CMB 편광을 기술하기 위해 스토크스 매개변수(Q, U, V)의 형식을 사용하며, V는 원형 편광을 나타낸다.
• 광자 운반에 대한 볼츠만 방정식에 콤프턴 산란 단면적에 포함된 NC 보정을 수정하여 적용한다.
• 재결합 기간 동안의 밀도 비균일성을 모델링하기 위해 메트릭의 스칼라 모드 편미분을 도입한다.
• NC 시공간 하에서 스토크스 매개변수의 시간 진화를 계산하여 비영인 V모드 전력 스펙트럼을 도출한다.
• 비환원성 보정 매개변수 κ̃를 포함한 비례관계를 통해 원형 편광 전력 스펙트럼에서 B모드 전력 스펙트럼을 유도한다.
• 선형 편광 CMB 전력 스펙트럼과 NC 스케일 Λ에 대한 경계를 사용하여 V모드 및 B모드 전력 스펙트럼을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비환원성 시공간이 수정된 콤프턴 산란을 통해 CMB에서 원형 편광을 생성할 수 있는가?
• RQ2 표준 모델과는 달리, NC 시공간 내 스칼라 모드 편미분이 B모드 편광을 얼마나 많이 생성할 수 있는가?
• RQ3 관측된 CMB 편광 전력 스펙트럼과 일치하는 비환원성 에너지 스케일 Λ의 범위는 무엇인가?
• RQ4 특히 Λ ~ 1 테라전자볼트(1 TeV)에서 10 테라전자볼트(10 TeV) 사이에서 NC 효과가 텐서 대 스칼라 비율 r에 얼마나 중요한 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 B모드 신호가 원초적 중력파가 아닌 NC 유도 효과로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• NC 스케일 Λ ~ 10 TeV일 경우 원형 편광 전력 스펙트럼 C_Vl은 0.1 nK²에서 0.1 μK² 사이로 추정된다.
• Λ ~ 1 TeV일 경우 C_Vl는 10⁻³ μK²에서 10³ μK² 사이에 위치하며, 이는 현재 및 향후 CMB 실험의 감도 범위 내에 있다.
• 스칼라 모드 NC 효과로 인한 B모드 전력 스펙트럼 C_Bl^S는 Λ ~ 10 TeV일 경우 0.1 pK²에서 0.1 μK² 사이로 제한되고, Λ ~ 1 TeV일 경우 10 nK²에서 10 mK² 사이로 제한된다.
• 이러한 B모드 수준는 l < 250에서 관측된 C_Bl^ob ~ 0.01 μK²와 유사하므로, NC 효과가 측정된 r-파라미터에 상당한 기여를 할 수 있음을 시사한다.
• NC 보정 매개변수 κ̃²는 (10 TeV/Λ)² 비례로 변화하며, Λ ~ 10 TeV일지라도 CMB 편광에 대한 NC 효과가 여전히 유의미하다는 것을 나타낸다.
• 이 연구는 관측된 B모드 신호가 원초적 중력파에서만 기인하는 것은 아니며, NC 효과가 스칼라 편미분을 통해 텐서 모드 기여를 모방할 수 있음을 암시한다.