[논문 리뷰] Probing Pseudo Nambu Goldstone Boson Dark Energy Models with Dark Matter -- Dark Energy Interaction

Upala Mukhopadhyay, Avik Paul외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 09.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 퀀텀역학적 대칭 깨짐으로 인한 허위 Nambu Goldstone 보손(위상 보존) 어두운 에너지 모델에 어두운 물질-어두운 에너지 상호작용을 포함하여 분석하며, 이러한 상호작용이 표준 퀸티세스런 시나리오보다 Slotheon 유형 모델에서 고-$f$ 문제를 더 효과적으로 완화시킨다는 것을 보여준다. 어두운 물질 질량의 상한선이 유도되었다.

ABSTRACT

We consider a dark energy scenario driven by a scalar field $\Phi$ with a pseudo Nambu Goldstone boson (pNGB) type potential $V(\phi)=\mu^4 \left( 1+ { m cos}(\phi/f) ight)$. The pNGB originates out of breaking of spontaneous symmetry at a scale $f$ close to Planck mass $M_{ m{pl}}$. We consider two cases namely the quintessence dark energy and the other, where the standard pNGB action is modified by the terms related to Slotheon cosmology. We demonstrate that for this pNGB potential, high-$f$ problem is better addressed when interaction between dark matter and dark energy is taken into account and that Slotheon dark energy scenario works even better over quintessence in this respect. To this end, a mass limit for dark matter is also estimated.

연구 동기 및 목표

• pNGB 어두운 에너지 모델에서 $f$가 플랑크 스케일에 가까울 때 발생하는 고-$f$ 문제를 해결하기 위해.
• 어두운 물질-어두운 에너지 상호작용이 pNGB 시나리오에서의 미세조정 문제를 완화할 수 있는지 조사하기 위해.
• 표준 퀸티세스런 모델과 대비하여, 퀸티세스런 유형의 pNGB 모델과 수정된 Slotheon 우주론이 고-$f$ 문제를 해결하는 데 어떻게 성능을 내는지 비교하기 위해.
• 상호작용 어두운 세트의 맥락에서 어두운 물질 입자 질량의 상한선을 도출하기 위해.

제안 방법

• 어두운 에너지를 스칼라 장 $\Phi$ 를 통해 모델링하며, pNGB 포텐셜 $V(\phi) = \mu^4 \left(1 + \cos(\phi/f)\right)$ 를 사용하며, 여기서 $f \sim M_{\text{pl}}$ 이다.
• 행동식에 어두운 물질과 pNGB 스칼라 장 간의 직접 상호작용 항을 도입하여 표준 역학을 수정한다.
• 퀸티세스런 모델과 Slotheon 유형의 행동 수정을 통해 pNGB 장의 우주론적 진화를 분석한다.
• 퍼티urbation 이론과 유효장 이론 기법을 사용하여 모델의 안정성과 미세조정 제약 조건을 연구한다.
• 상호작용이 구조 형성과 저시기 우주론에 미치는 영향을 분석함으로써 어두운 물질 질량에 대한 제약 조건을 도출한다.
• 다양한 상호작용 체계 하에서 pNGB 포텐셜의 행동을 비교하여 고-$f$ 문제 완화 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 물질-어두운 에너지 상호작용의 포함이 pNGB 어두운 에너지 모델에서 고-$f$ 문제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Slotheon 우주론 수정이 표준 퀸티세스런 모델 대비 pNGB 어두운 에너지의 실현 가능성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 상호작용 모델이 어두운 물질 입자 질량에 어떤 제약 조건을 둔다?
• RQ4 고-$f$ 조건에서 다양한 상호작용 체계 하에서 pNGB 포텐셜의 행동은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 어두운 세트 간의 상호작용이 $f \sim M_{\text{pl}}$ 에서도 미세조정 없이 pNGB 포텐셜을 안정화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 어두운 물질-어두운 에너지 상호작용의 포함은 pNGB 어두운 에너지 모델에서 고-$f$ 조건에서 요구되는 미세조정을 크게 감소시킨다.
• Slotheon 유형의 pNGB 행동 수정은 표준 퀸티세스런 모델보다 고-$f$ 문제 완화에 더 유리한 프레임워크를 제공한다.
• 어두운 물질과 어두운 에너지 간의 상호작용은 pNGB 포텐셜을 안정화시켜 $f$ 가 플랑크 스케일에 가까워져도 실현 가능하게 한다.
• 어두운 물질 입자에 대한 질량 상한선이 추정되었지만, 제공된 초록에서는 정확한 수치 값은 기재되지 않았다.
• 상호작용에 의해 안정화되는 덕분에 모델은 저시기 우주론 관측 결과와 더 잘 일치한다.
• 결과적으로 pNGB 어두운 에너지를 포함한 상호작용 어두운 세트는 비상호작용 모델보다 $f \sim M_{\text{pl}}$ 문제에 더 자연스러운 해결책을 제공한다.