[논문 리뷰] Hubble Hullabaloo and String Cosmology

Luis A. Anchordoqui|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 43인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 쿼크-하드론 전이 기간 동안 효과적인 상대론적 자유도($\Delta N_{\rm eff}$)를 수정함으로써 허블 긴장 문제를 해결하기 위해, 무거운 $Z^\prime$ 게이지 보손을 포함한 스트링 이론에 기반한 모델을 제안한다. 탈착 조건 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$를 사용하여, $\Delta N_{\rm eff} \in [0.324, 0.544]$와 일치하는 예측 가능한 $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ 매개변수 공간을 유도하며, 우주론적 자료와 LHC 런3 탐색 결과를 연결한다.

ABSTRACT

The discrepancy in measurements of the Hubble constant indicates new physics in dark energy, dark matter, or both. Drawing inspiration from string theory, we explore possible solutions to overcome the $H_0$ problem. We investigate the interplay between the cosmological determination of $ΔN_{ m eff}{}$ and $Z'{}$ searches at the LHC Run3.

연구 동기 및 목표

• 로컬 $H_0$ 측정치(~74 km s⁻¹ Mpc⁻¹)와 CMB에서 유도된 값(~67.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹) 사이의 지속적인 허블 긴장을 $\Lambda$CDM 이상의 새로운 물리학을 통해 해결한다.
• 쿼크-하드론 전이 기간 동안 효과적인 상대론적 자유도($\Delta N_{\rm eff}$)를 변화시킬 수 있는 새로운 게이지 보손에 대한 스트링 이론적 동기를 탐색한다.
• 탈착 조건 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$와 $\Delta N_{\rm eff}$에 대한 관측적 제약 조건을 사용하여, 무거운 $Z^\prime$ 게이지 보손의 질량과 결합 상수를 제약한다.
• 우주론적 $\Delta N_{\rm eff}$ 측정치와 LHC 런3에서의 직접 탐색 결과를 연결하는 예측 가능한 프레임워크를 제공한다.
• 이론적 입자물리학과 관측 우주론을 연결하여, 초기 우주에서의 엔트로피 역학과 $Z^\prime$ 결합 간의 관계를 구축한다.

제안 방법

• 쿼크-하드론 전이 기간(150–500 MeV) 동안의 온도에 따른 $s(T)/T^3$의 매개변수화를 사용하여 초기 우주의 엔트로피 밀도를 모델링하며, 쿼크, 글루온, 상대론적 페르미온의 기여를 포함한다.
• 효과적인 상대론적 자유도 수 $g_*(T)$를 계산하며, $g_*(T) \simeq 47.5\, r(T) + 19.25$로 표현되며, 여기서 $r(T)$는 스테판-볼츠만 행동에서의 편차를 반영한다.
• 탈착 조건 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$를 적용하여 $Z^\prime$ 질량과 효과적 결합 상수 $g_{\rm eff}$를 결정하며, $\Gamma(T)$는 $Z^\prime$-중성미자 산란 확률에서 유도된다.
• 핵심 제약 조건인 $\frac{g_{\rm eff}}{M_{Z^\prime}} = \left(\frac{3}{\Delta N_{\rm eff}}\right)^{3/32} \left(\frac{17.41}{M_{\rm Pl}\, T_{\rm dec}^3}\right)^{1/4}$를 유도하여, $\Delta N_{\rm eff}$와 $Z^\prime$ 매개변수 간의 관계를 설정한다.
• $\Delta N_{\rm eff} \in [0.324, 0.544]$ 범위 내에서 허용 가능한 $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ 매개변수 공간을 매핑하며, 이는 허블 긴장을 해결하기 위해 필요한 $\sim 0.5$의 $\Delta N_{\rm eff}$를 감싸는 범위이다.
• D-브라인 실현에서 $Z^\prime$가 오른쪽 손잡이 이so스핀에 결합하는 경우를 고려하고, LHC 런3 실험 제약 조건과의 호환성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스트링 이론적 모델에서 유도된 무거운 $Z^\prime$ 게이지 보손이 쿼크-하드론 전이 기간 동안 $\Delta N_{\rm eff}$를 수정함으로써 허블 긴장을 해결할 수 있는가?
• RQ2 탈착 조건 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$와 관측적 $\Delta N_{\rm eff}$ 제약 조건을 통해 유도된 $Z^\prime$ 질량과 결합 상수에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 전이 기간 동안 쿼크-글루온 플라즈마 내 엔트로피 진동이 효과적인 상대론적 자유도와 $\Delta N_{\rm eff}$에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재의 $\Delta N_{\rm eff}$ 제약 조건을 바탕으로, LHC 런3 실험은 $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ 매개변수 공간의 어느 정도를 탐색할 수 있는가?
• RQ5 이 모델은 특히 오른쪽 손잡이 이소스핀에 $Z^\prime$가 결합하는 D-브라인 구성과 일치할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 우주론적 $\Delta N_{\rm eff}$와 $Z^\prime$ 매개변수를 연결하는 예측 가능한 $Z^\prime$ 질량과 결합 상수의 비율을 예측한다: $g_{\rm eff}/M_{Z^\prime}} \sim \left(\frac{3}{\Delta N_{\rm eff}}\right)^{3/32} \left(\frac{17.41}{M_{\rm Pl}\, T_{\rm dec}^3}\right)^{1/4}$.
• $\Delta N_{\rm eff} = 0.324$(중앙값)일 경우, 모델은 그림 6에 나타낸 $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ 매개변수 공간과 일치하는 $Z^\prime$ 질량과 결합 상수를 도출하며, 상한값인 $\Delta N_{\rm eff} = 0.544$는 허블 긴장을 해결하기 위해 필요한 $\sim 0.5$를 감싸는 범위이다.
• $Z^\prime$는 $T_{\rm dec} \approx 150$–$500$ MeV에서 탈착하며, 이는 쿼크-하드론 전이 기간에 해당하며, 이 기간 동안 엔트로피 역학이 $g_*(T)$에 크게 영향을 미친다.
• 모델은 완전히 예측 가능하며, LHC 런3 제약 조건과 호환되며, 그림 6의 수평선은 $Z^\prime$가 오른쪽 손잡이 이소스핀의 제3성분에 결합하는 D-브라인 모델을 나타낸다.
• LHC 실험 제약 조건에 의해 $Z^\prime$ 질량은 하한선으로 제약되며, 그림 6의 수평선 왼쪽 끝은 현재의 $M_{Z^\prime} > 2.5$ TeV 제약 조건을 반영한다.
• 향후 CMB-S4($\sigma(\Delta N_{\rm eff}) \sim 0.06$)와 CMBPol($\sigma(\Delta N_{\rm eff}) \sim 0.09$)와 같은 CMB 실험들은 높은 정밀도로 모델의 예측을 검증할 수 있다.