[논문 리뷰] Quintessential Inflation, Unified Dark Energy and Dark Matter, and Higgs Mechanism

Eduardo Guendelman, Emil Nissimov외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 22.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 비리만형 시공간 체적 형식을 사용하여 초기 우주의 팽창과 만유중력 상수, 암흑 에너지/암흑 물질을 하나의 스칼라 장('다크온')과 인플라톤 장을 통해 통합적으로 기술하는 통합 중력-물질 모델을 제안한다. 이 형식은 역동적으로 유도된 우주상수와 먼지 유사 암흑 물질을 생성하며, 후기 우주에서 중력에 의해 유도되는 전약 대칭 붕괴를 가능하게 하며, 인플레이션 기간 동안 힉스 장이 질량이 없는 상태를 유지한다.

ABSTRACT

We describe a new type of gravity-matter models where gravity couples in a non-conventional way to two distinct scalar fields providing a unified Lagrangian action principle description of: (a) the evolution of both "early" and "late" Universe - by the "inflaton" scalar field; (b) dark energy and dark matter as a unified manifestation of a single material entity - the "darkon" scalar field. The essential non-standard feature of our models is employing the formalism of non-Riemannian space-time volume forms - alternative generally covariant integration measure densities (volume elements) defined in terms of auxiliary antisymmetric tensor gauge fields. Although being (almost) pure-gauge degrees of freedom, the non-Riemannian space-time volume forms trigger a series of important features unavailable in ordinary gravity-matter models. When including in addition interactions with the electro-weak model bosonic sector we obtain a gravity-assisted generation of electro-weak spontaneous gauge symmetry breaking in the post-inflationary "late" Universe, while the Higgs-like scalar remains massless in the "early" Universe.

연구 동기 및 목표

• 비리만형 중력-물질 작용을 통해 단일 스칼라 장('다크온')의 두 가지 표현으로 암흑 에너지와 암흑 물질을 통합하는 것.
• 통합된 인플라톤 장을 사용하여 초기 우주의 팽창과 후기 우주의 암흑 에너지 지배를 동일한 역동적 프레임워크 내에서 기술하는 것.
• 후기 인플레이션 시대에 전약 대칭 붕괴를 역동적으로 생성하면서도 인플레이션 기간 동안 게이지 대칭을 유지하는 것.
• 보조 비대칭 텐서 장이 시공간 통합 측도를 수정하고 중력 및 물질 결합에서 새로운 물리적 효과를 유도하는 데서의 역할을 탐색하는 것.

제안 방법

• 보조 랭크-3 비대칭 텐서 장 Cμνλ를 통해 정의된 비리만형 시공간 체적 형식 Φ(C)를 사용하여 중력 통합 측도를 수정하는 것.
• 리만형 √−g와 비리만형 Φ(C) 체적 형식에 대해 대칭적으로 결합된 스칼라 장 라그랑지안을 포함하는 수정된 중력-스칼라 작용을 구성하는 것.
• 측도 장 Cμνλ의 운동 방정식에서 유도된 역동적 제약 조건 L(u,Y) = −2M₀ = const를 통해 일정한 에너지 밀도 기여를 생성하는 것.
• 동일한 비리만형 구조에 결합된 두 번째 스칼라 장(인플라톤)을 도입하여 초기 우주와 후기 우주의 통합된 우주론을 위한 두 개의 평탄한 영역을 가진 효과적 포텐셜을 생성하는 것.
• SU(2)×U(1) 전약 세그먼트에 시스템을 결합하여 후기 우주에서 힉스 유사 포텐셜이 나타나도록 하되, 인플레이션 기간 동안 힉스 질량이 0인 상태를 유지하는 것.
• 비리만형 체적 형식과 관련된 숨겨진 노이터 대칭성을 사용하여 동역학을 안정화하고 에너지-운동량 텐서의 일관성을 확보하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비리만형 중력-물질 작용을 통해 암흑 에너지와 암흑 물질를 단일 스칼라 장의 두 가지 표현으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 동일한 스칼라 장 체계가 초기 우주의 팽창과 후기 우주의 암흑 에너지 지배를 모두 기술할 수 있는가?
• RQ3 비리만형 체적 형식의 포함이 어떻게 역동적으로 유도된 우주상수와 먼지 유사 암흑 물질을 초래하는가?
• RQ4 중력에 의해 유도되는 대칭 붕괴가 후기 우주에서 전약 힉스 포텐셜을 생성할 수 있으며, 동시에 인플레이션 기간 동안 힉스 장이 질량이 없는 상태를 유지할 수 있는가?
• RQ5 보조 비대칭 텐서 장이 중력 및 물질 결합에서 새로운 물리적 효과를 가능하게 하는 데서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 비리만형 체적 형식 Φ(C)는 역동적 제약 조건 L(u,Y) = −2M₀ = const를 유도하며, 이는 역동적으로 유도된 우주상수로 해석되는 일정한 에너지 밀도 기여를 생성한다.
• 다크온 장의 에너지-운동량 텐서는 두 부분으로 분리되며, 하나는 −2gμνM₀ 형태의 우주상수 유사 항이며, 다른 하나는 ∂μu∂νu 비례의 먼지 유사 유체 항으로 구성되어 암흑 에너지와 암흑 물질을 통합한다.
• 비리만형 측도에 기인한 숨겨진 비선형 노이터 대칭성 덕분에 에너지-운동량 텐서의 보존이 보장되고 동역학이 안정화된다.
• 인플라톤 장은 초기 팽창과 후기 암흑 에너지 지배를 위한 두 개의 무한히 평탄한 영역을 가진 효과적 포텐셜을 획득하며, 이는 퀘이낸티식 팽창을 가능하게 한다.
• 후기 우주에서는 힉스 유사 스칼라 장이 표준 전약 대칭 붕괴 형태의 효과적 포텐셜을 획득하지만, 인플레이션 기간 동안 질량이 0인 상태를 유지한다.
• 두 평탄한 영역 사이의 포텐셜 장벽의 상대적 높이는 후기 우주의 효과적 우주상수와 같은 주요 스케일을 가지며, 이는 인플레이션과 암흑 에너지 사이에 자연스러운 연결 고리를 시사한다.