[논문 리뷰] Remarks on M Theoretic Cosmology

Tom Banks|ArXiv.org|1999. 06. 16.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 21인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 M-이론적 우주론을 제안하며, 붕괴 모드가 단기 거동에서 유래한 잠재력과 함께 팽창을 이끄는 반면, 초대칭 붕괴 모드가 후기 시기에 에너지 밀도를 생성한다. 이 시나리오는 자연스러운 암흑물질 후보(예: 통합 스케일에서의 붕괴 상수를 가진 QCD 아키온)를 예측하며, 플랑크 스케일과 통합 스케일의 비율을 통해 물질-복사 평형과 CMB 변동을 설명하고, 테바 스케일에서의 재규격화 가능한 쿼크 수반 위반을 요구하여 LSP를 암흑물질로 배제한다.

ABSTRACT

I present cosmological arguments which point towards a Horava-Witten like picture of the universe, with the unification scale of order the fundamental gravitational scale. The SUSY breaking scale is determined by the dynamics of gauge fields which are weakly coupled at the fundamental scale. Bulk moduli whose potential originates at short distances are the inflatons, while bulk moduli whose potential originates from SUSY breaking are the origin of the energy density in the present era. The latter decay just before nucleosynthesis, and a consistent theory of baryogenesis requires that there be renormalizable baryon number violating interactions at the TeV scale. The dark matter is a boundary modulus, perhaps the QCD axion, and the temperature of matter radiation equality is related to the ratio between the fundamental and effective four dimensional Planck scales. The same ratio determines the amplitude of fluctuations in the microwave background.

연구 동기 및 목표

• 8개의 초대칭을 유지하는 M-이론 압축에서 모드를 인플레이션 장으로 재결합함으로써, 팽창 스케일과 통합 스케일 사이의 계층 문제를 해결한다.
• 초대칭 붕괴 바닥 모드를 통해 현재의 암흑 에너지 밀도와 물질-복사 평형의 기원을 설명한다.
• 핵합성 직전에 모드가 붕괴하도록 하여 천체 물리학적 모드 문제를 해결하고, 쿼크 비대칭을 생성한다.
• 억제된 잠재력을 가진 경계 모드에서 실현 가능한 암흑물질 후보를 식별한다. 가능성이 있는 후보로 QCD 아키온이 있다.
• 기본 스케일 비율에서 CMB 변동의 진폭과 재가열 온도에 대한 정량적 예측을 도출한다.

제안 방법

• 8개의 초대칭을 유지하는 M-이론 압축을 사용하며, 이는 이산 R 대칭에 의해 보호되는 진정한 모드 공간을 포함하는 하라바-위튼 시나리오의 일반화이다.
• 인플레이션 장을 바닥 모드로 식별하며, 이들의 초위상이 $1/N_e$ 정도의 계수를 가지도록 하여 $N_e$ 개의 e-패딩 패러미터를 얻는다.
• 인플레이션 이후 바닥 모드의 공진 운동에서 기인하는 에너지 밀도를 모델링하여 핵합성 온도 이하로 재가열되는 것을 유도한다.
• 모드 붕괴 기간 동안 쿼크 비대칭을 생성하기 위해 저에너지 효과 이론에서 재규격화 가능한 쿼크 수반 위반 상호작용이 필요하다.
• 억제된 잠재력을 가진 경계 모드를 암흑물질로 제안하며, 붕괴 상수가 통합 스케일 근처에 있다.
• 4차원 플랑크 스케일과 통합 스케일의 비율을 이용하여 CMB 변동의 진폭과 물질-복사 평형 온도를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8개의 초대칭을 유지하는 M-이론 압축에서 바닥 모드가 팽창 장으로 작용할 수 있는가? 이는 팽창 스케일과 통합 스케일 사이의 계층 문제를 위반하지 않는다.
• RQ2 기본 스케일 비율을 통해 관측된 물질-복사 평형 온도를 설명할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 초대칭 붕괴 모드의 붕괴를 통해 쿼크 비대칭이 어떻게 생성되며, 이는 저에너지 효과 이론에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 이 시나리오에서 LSP가 왜 암흑물질로 배제되는가? 그리고 어떤 대안 후보가 등장하는가?
• RQ5 QCD 아키온 또는 유사한 경계 모드가 통합 스케일 근처의 붕괴 상수를 가진 실현 가능한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?

주요 결과

• 초기 밀도 변동의 진폭은 약 $10^{-5}$ 수준으로 예측되며, 이는 통합 스케일과 4차원 플랑크 스케일의 비율에 의해 자연스럽게 설명된다.
• 모드 붕괴 이후 재가열 온도는 핵합성 임계값을 약간 넘는 것으로 추정되며, 초기 우주의 핵합성과 일치한다.
• 물질-복사 평형은 동일한 스케일 비율에 의해 결정되는 온도에서 발생하며, 값이 약 10배 정도 높아지지만 근사치를 고려할 경우 타당성이 있다.
• 이 시나리오는 모드 붕괴 기간 동안 쿼크 비대칭을 생성하기 위해 테바 스케일에서 재규격화 가능한 쿼크 수반 위반 상호작용이 존재해야 한다고 요구한다.
• LSP는 암흑물질로 배제되며, 대신 억제된 잠재력을 가진 경계 모드—가능성이 있는 후보로 QCD 아키온—이 자연스러운 암흑물질 후보를 제공한다.
• 현재의 아키온 탐색 실험으로는 높은 붕괴 상수(통합 스케일 근처)를 가진 암흑물질 후보를 탐지할 수 없다.