[논문 리뷰] Dark Energy and Dark Matter From Hidden Symmetry of Gravity Model with a Non-Riemannian Volume Form

Eduardo Guendelman, Emil Nissimov외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 44인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비리만형 부피 형식과 단일 스칼라 장을 사용한 수정 중력 모형을 통해 어둠료 에너지와 어둠료 물질의 통합적 기술을 제안한다. 보조 반대칭 텐서 장을 도입하여 메트릭에 의존하지 않는 측도를 생성함으로써, 모형은 통합 상수로부터 동적으로 생성된 우주 상수(어둠료 에너지)와 암시적 노에터 대칭성에 의해 유도되는 보존 전류(압력이 없는 어둠료 물질로 해석됨)를 제공한다. 이 틀은 어둠료 에너지와 어둠료 물질을 자연스럽게 분리시키며, 작용에 대한 섭동을 통해 병리 없이 증가하는 어둠료 에너지를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We show that dark energy and dark matter can be described simultaneously by ordinary Einstein gravity interacting with a single scalar field provided the scalar field Lagrangian couples in a symmetric fashion to two different spacetime volume-forms (covariant integration measure densities) on the spacetime manifold - one standard Riemannian given by the square-root of the determinant of the pertinent Riemannian metric and another non-Riemannian volume-form independent of the Riemannian metric, defined in terms of an auxiliary antisymmetric tensor gauge field of maximal rank. Integration of the equations of motion of the latter auxiliary gauge field produce an a priori arbitrary integration constant that plays the role of a dynamically generated cosmological constant or dark energy. Moreover, the above modified scalar field action turns out to possess a hidden Noether symmetry whose associated conserved current describes a pressureless "dust" fluid which we can identify with the dark matter completely decoupled from the dark energy. The form of both the dark energy and dark matter that results from above class of models is insensitive to the specific form of the scalar field Lagrangian. By adding appropriate perturbation, which breaks the above hidden symmetry and along with this it couples dark matter and dark energy, we also suggest a way to obtain growing dark energy in the present universe's epoch without evolution pathologies.

연구 동기 및 목표

• 수정 중력에서 두 개의 시공간 부피 형식을 사용하여 단일 스칼라 장 틀 안에서 어둠료 에너지와 어둠료 물질을 통합하기.
• 운동 방정식의 통합 상수로부터 동적으로 생성된 우주 상수로서 어둠료 에너지 기원을 설명하기.
• 스칼라 장 라그랑지안의 구체적 형태에 독립적으로 존재하는 암시적 노에터 대칭성에 의해 기인하는 보존 전류로서 어둠료 물질을 식별하기.
• 팬텀 장이나 병리 없이 저기 우주에서 어둠료 에너지가 증가하는 메커니즘을 구축하기.
• 어둠료 에너지와 어둠료 물질 성분이 스칼라 장 역학의 세부 사항에 민감하지 않음을 보여주기.

제안 방법

• 최대 질량의 보조 반대칭 텐서 게이지 장을 통해 정의된 비리만형 부피 형식을 도입하며, 리만형 메트릭에 독립적이다.
• 스칼라 장이 리만형 부피 형식(√−g)과 비리만형 부피 형식 양쪽에 대칭적으로 결합된 수정 중력-스칼라 장 작용을 구성한다.
• 보조 게이지 장의 운동 방정식을 유도하며, 그 적분 결과로 나타나는 사전에 임의의 상수는 어둠료 에너지 밀도로 해석된다.
• 작용에 암시적 노에터 대칭성이 존재함을 식별하여 보존 전류를 도출하며, 이는 압력이 없는 유체로서 어둠료 물질을 기술한다.
• 암시적 대칭성을 깨는 스칼라 포텐셜 U(φ)로 작용을 섭동함으로써 어둠료 에너지의 시간에 따른 변화를 가능하게 하되, 안정성을 유지한다.
• FLRW 계량을 사용하여 에너지 밀도와 압력의 진화 방정식을 유도하며, U(φ)가 φ와 함께 증가하면 어둠료 에너지 밀도가 천천히 증가함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 기하학적으로 일관된 중력 모형에서 단일 스칼라 장으로부터 어둠료 에너지와 어둠료 물질을 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 틀에서 우주 상수의 기원은 무엇이며, 왜 기본적인 것이 아니라 동적으로 생성되는가?
• RQ3 어떻게 암시적 노에터 대칭성이 보존 전류를 유도하며, 이 전류가 압력이 없는 유체로서 어둠료 물질을 기술하는가?
• RQ4 이 모형에서 팬텀 장이나 미래의 특이성을 도입하지 않고도 어둠료 에너지의 증가를 달성할 수 있는가?
• RQ5 비리만형 부피 형식은 어둠료 에너지가 스칼라 장 역학에서 분리되는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 어둠료 에너지 성분은 보조 게이지 장의 운동 방정식에서 유도되는 통합 상수에서 기인하며, 이는 동적으로 생성된 우주 상수로 기능한다.
• 어둠료 물질 성분은 암시적 비선형 대칭성에 관련된 보존 노에터 전류로 기술되며, 이는 스칼라 장 라그랑지안의 구체적 형태에 독립적이다.
• 결과적으로 어둠료 에너지와 어둠료 물질은 완전히 분리되어 있다: 어둠료 에너지는 일정하거나 천천히 변화하며, 어둠료 물질 밀도는 a−3 비례로 스케일된다.
• 추가 장이나 복잡한 라그랑지안 없이도 일정한 음의 압력(어둠료 에너지)과 압력이 없는 유체(어둠료 물질)를 생성한다.
• 증가하는 포텐셜 U(φ)로 작용을 섭동하면 어둠료 에너지 밀도가 천천히 증가하며, 우주의 종말이나 특이성을 피한다.
• 이 틀은 스칼라 장의 역학에 민감하지 않다: 특정한 스칼라 장 라그랑지안의 형태에 관계없이 어둠료 에너지와 어둠료 물질 성분은 그대로 유지된다.