[논문 리뷰] REMOVING THE COSMOLOGICAL BOUND ON THE AXION SCALE

Gia Dvali|ArXiv.org|1995. 05. 08.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 및 끈이론에 기반한 모델에서 게이지 상수가 스칼라 필드의 기대값에 의해 동적으로 결정될 경우, 양자 chromodynamics(QCD)의 강한 상에서 축소된 축진이 발생하고, 이로 인해 $f_a$가 GUT 또는 플랑크 스케일에 도달할 수 있으며, 이는 우주론적 과잉폐기 문제를 피할 수 있음을 제안한다. 따라서 우주론적 상한 $f_a < 10^{12}$ GeV은 초과되지 않는다.

ABSTRACT

The current cosmological bound on the invisible axion scale may be avoided in the class of theories in which the gauge coupling constant is determined through the expectation value of some scalar field (e.g. moduli in supergravity and string theories). This leads to the cosmological scenario different from that of the standard invisible axion, since the initial values of the fields are usually far away from their true minima, allowing for the color group becoming strong in the very early universe and fixing the axion field to its minimum. The effect disappears as soon as scalar field adjusts to its present value, but the above is enough to ensure that the deviation of the axion expectation value from the minimum is negligible at the moment of the QCD phase transition and thus to eliminate the troublesome coherent oscillations. This may imply that the standard axion window does not necessarily hold in generic supergravity theories. The above observation may open a natural possibility for the existence of the axion resulting from the GUT or R-symmetry breaking.

연구 동기 및 목표

• 축진 스케일에 대한 우주론적 제약 $f_a < 10^{12}$ GeV의 모형 독립적 타당성을 도전하기 위해.
• 초대칭 및 끈 이론 등 동적 게이지 상수가 존재하는 이론에서 표준 비가시 축진 장면이 어떻게 수정될 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 재열과 인플레이션을 포함한 초기 우주 역학이 어떻게 축진의 공진 조건을 억제하고 우주론적 제약을 피할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 고온 또는 고에너지 상태에서 축진 필드가 최소값으로 이동하여 QCD 전이 시점에서 큰 진폭의 진동을 방지할 수 있음을 보여주기 위해.
• 작은 축진 초기 필드 값에 대한 인류원리의 필요성을 제거하고, 동적 안정화가 이를 자연스럽게 달성할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 축진을 $U(1)_{PQ}$ 대칭의 자동으로 깨지는 페시브 골드스톤 보손으로 모델링하고, 큰 기대값 $f_a$를 가진다.
• 게이지 상수를 스칼라 필드의 기대값에 의해 동적으로 결정하는 스칼라 필드를 도입하여, 초대칭 및 끈 이론에서처럼 상수는 스칼라 필드 기대값의 함수가 된다.
• QCD 순간자 효과를 포함한 축진 필드 $a$의 효과적 포텐셜을 분석하고, 이로 인해 비대칭성이 제거되어 질량 $m_a \sim \Lambda_{QCD}^2 / f_a$ 가 유도된다.
• 초기 우주에서 스칼라 필드가 최소값에서 멀리 떨어져 있을 경우, 인플레이션 또는 재열 기간 동안 큰 효과적 축진 질량 $m_a \sim H$ 가 발생하여 $a$ 가 0에 안정화된다.
• 재열 온도 $T_R \ll f_a$ 일 때, QCD 전이 시점에서 축진 공진 진동의 에너지 밀도가 $\sim T_R^2 / f_a^2$ 의 요소로 억제됨을 평가한다.
• 인플레이션 및 재열 기간 동안의 양자 및 열역학적 변동을 평가하여, $H \ll f_a$ 및 $T_R \ll f_a$ 일 경우 둘 다 억제됨을 보여, 큰 필드 이격을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 양자장 이론에서 축진 스케일에 대한 우주론적 제약 $f_a < 10^{12}$ GeV를 피할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 기대값에 의해 결정되는 게이지 상수가 초기 우주에서 축진 필드를 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 재열 및 인플레이션 기간 동안의 열역학적 및 양자 변동은 축진 공진 진동의 초기 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 QCD 전이 이전에 축진 필드가 자연스럽게 최소값으로 이동할 수 있는가? 이는 우주론적 과잉폐기 문제를 억제한다.
• RQ5 작은 초기 축진 필드 값에 대한 인류원리가 필요한가, 아니면 동적 안정화만으로도 이를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 초대칭 및 끈 이론 모델 등 스칼라 필드 기대값에 의해 게이지 상수가 결정되는 이론에서는 우주론적 제약 $f_a < 10^{12}$ GeV를 피할 수 있다.
• 초기 우주에서 스칼라 필드가 최소값에서 멀리 떨어져 있을 경우, QCD는 강해지고, 큰 효과적 질량 $m_a \sim H$ 로 인해 축진 필드는 $a=0$ 에 안정화되어 공진 진동이 억제된다.
• 재열 온도 $T_R$ 가 $f_a$ 보다 훨씬 작을 경우, 축진 공진 진동의 에너지 밀도는 $\sim T_R^2 / f_a^2$ 의 요소로 억제되며, 이로 인해 $f_a$ 는 GUT 또는 플랑크 스케일에 도달할 수 있다.
• 인플레이션 기간 동안의 양자 변동도 축진 필드를 0에서 벗어나게 할 수 있지만, $H \ll f_a$ 일 경우 이 효과는 지수적으로 억제되어 QCD 전이 시점에서 작은 필드 이격을 보장한다.
• 축진 스트링 및 도메인 월과 같은 위상 결함들은 $f_a$ 와 $m_a$ 가 큰 초기 단계 동안 팽창되어 사라지며, 이로 인해 관련된 우주론적 문제를 피한다.
• 작은 초기 축진 필드 값에 대한 인류원리의 필요성이 제거되며, 동적 안정화는 모든 영역에서 $A \ll f_a$ 를 자연스럽게 이끌어낸다.