[논문 리뷰] Evading Equivalence Principle Violations, Astrophysical and Cosmological Constraints in Scalar Field Theories with a Strong Coupling to Matter

David F. Mota, Douglas J. Shaw|arXiv (Cornell University)|2006. 08. 07.

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 등가원리 위반을 초래할 수 있는 물질과 강하게 결합된 스칼라 장이 비선형 자기상호작용 덕분에 지구, 천체 및 우주론적 제약 조건과 일관성을 유지할 수 있음을 제안한다. 이러한 경량의 강하게 결합된 스칼라 장은 초기 및 후기 우주 팽창을 이끄는 데 기여할 수 있으며, 향후 실험에서 검출 가능할 수 있다.

ABSTRACT

We show that, as a result of non-linear self-interactions, it is feasible, at least in light of the bounds coming from terrestrial tests of gravity and those constraints imposed by the physics of compact objects, big-bang nucleosynthesis and measurements of the cosmic microwave background, for there to exist, in our Universe, one or more scalar fields that couple to matter much more strongly than gravity does. Not only are these scalar fields very strongly coupled to matter, but they are also light over cosmological scales and could be responsible for the late and early time acceleration of the universe. These fields could also be detected by a number of future experiments provided they are properly designed to do so. These results open up an altogether new window, which might lead to a completely different view of the role played by light scalar fields in particle physics and cosmology.

연구 동기 및 목표

• 물질과 강하게 결합된 스칼라 장이 현재 실험 및 우주론적 제약 조건과 일관성을 유지할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이러한 스칼라 장이 초기 및 후기 우주 팽창을 설명하는 데 가능성이 있는지 탐색하기 위해.
• 향후 실험을 통한 이러한 장의 검출 가능성 평가하기 위해.
• 비선형 자기상호작용이 이론이 관측 제약 조건으로부터 보호하는 데 수행하는 역할를 검토하기 위해.
• 경량 스칼라 장이 강한 물질 결합을 가지는 경우의 우주론적 및 입자물리학적 의의 재평가하기 위해.

제안 방법

• 일관된 일반 상대성 이론에서의 관측 가능한 이심을 억제하기 위해 비선형 자기상호작용을 갖는 스칼라 장 이론 분석하기.
• 지구 중력 실험, 빅뱅 핵합성, 그리고 우주마이크파배경 측정에서의 제약 적용하기.
• 등가원리 위반 여부 평가를 위해 밀도가 높은 천체 환경에서 스칼라 장의 거동 평가하기.
• 우주론적 모델을 사용하여 장들이 초기 및 후기 우주 팽창을 이끄는 데 수행하는 역할 평가하기.
• 강한 스칼라 결합에 민감한 향후 실험 설계를 통해 검출 가능성 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질과 강하게 결합된 스칼라 장은 지구 중력 실험의 제약 조건을 피할 수 있는가?
• RQ2 비선형 자기상호작용은 등가원리 위반을 관측 가능하게 방지하는가?
• RQ3 이러한 강하게 결합된 스칼라 장은 초기 및 후기 우주 팽창에서 어떤 우주론적 역할을 할 수 있는가?
• RQ4 핵합성 및 CMB 관측 결과를 만족하는 매개변수 영역이 존재하는가?
• RQ5 향후 어떤 실험 설계가 이러한 스칼라 장을 검출할 수 있는가?

주요 결과

• 비선형 자기상호작용 덕분에 강한 물질 결합을 가진 스칼라 장는 지구 중력 실험과 일관성을 유지할 수 있다.
• 이 스칼라 장은 우주 척도에서 경량일 수 있어 우주 팽창 기여에 기여할 수 있다.
• 이 장들은 초기 및 후기 우주 팽창을 동시에 이끄는 통합 메커니즘을 제공할 수 있다.
• 빅뱅 핵합성 및 우주마이크파배경에서의 제약 조건은 이러한 스칼라 장을 배제하지 않는다.
• 적절하게 설계된 향후 실험은 이러한 스칼라 장을 검출할 수 있다.
• 결과적으로 경량 스칼라 장이 입자물리학 및 우주론에서 수행하는 역할에 대한 새로운 이해의 길을 열었다.