[논문 리뷰] Serendipitous discoveries in nonlocal ghost-free gravity theory: dark energy and dark matter

A. O. Barvinsky|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 19.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론이 고에너지 근처에서 복귀하는 유클리드 부호에서 비국소적이고 고스트가 없는 중력 이론을 제안한다. 이 이론은 임의의 진공 에너지 상수를 가진 안정적인 디Sitter 또는 양-디Sitter 배경을 지지하며, 스위처-켈디시 기법을 통해 인과적인 운동 방정식을 유도함으로써 질량이 없는 중력파가 두 개의 진동수 성분을 가지며 일반 상대성 이론과 유사하게 전파됨을 보여준다. 이론은 저에너지 영역에서 중력 상호작용이 강화되어 암흑 에너지와 암흑 물질을 장거리 중력 강화를 통해 동시에 설명한다.

ABSTRACT

We present a class of generally covariant nonlocal gravity models which have a flat-space general relativistic (GR) limit and also possess a stable de Sitter (dS) or Anti-de Sitter (AdS) background with an arbitrary value of its cosmological constant. The nonlocal action of the theory is formulated in the Euclidean signature spacetime and is understood as an approximation to the quantum effective action (generating functional of one-particle irreducible diagrams) originating from fundamental quantum gravity theory. Using the known relation between the Schwinger-Keldysh technique for quantum expectation values and the Euclidean quantum field theory we derive from this action the {\em causal} effective equations of motion for mean value of the metric field in the physical Lorentzian-signature spacetime. Thus we show that the (A)dS background of the theory carries as free propagating modes massless gravitons having two polarizations identical to those of the Einstein theory with a cosmological term. The on-shell action of the theory is vanishing both for the flat-space and (A)dS backgrounds which play the role of stable vacua underlying respectively the ultraviolet and infrared phases of the theory. We also obtain linearized gravitational potentials of compact matter sources and show that in the infrared (A)dS phase their effective gravitational coupling $G_{ m eff}$ can be essentially different from the Newton gravitational constant $G_N$ of the short-distance GR phase. When $G_{ m eff}\gg G_N$ the (A)dS phase can be regarded as a strongly coupled infrared modification of Einstein theory not only describing the dark energy mechanism of cosmic acceleration but also simulating the dark matter phenomenon by enhanced gravitational attraction at long distances.

연구 동기 및 목표

• 평탄한 공간에서 일반 좌표 불변성과 일반 상대성 이론의 극한을 가지며 안정적인 (A)dS 배경을 지닌 비국소적 중력 모형을 구축하기 위해.
• 유클리드 양자 효과적 작용에서 유도된 유클리드 양자장 이론 결과를 인과적인 기대값으로 라이만 스펙트럼에서의 계량장에 대한 인과적인 효과적 운동 방정식을 유도하기 위해.
• 이론의 저에너지 영역이 우주의 가속 팽창(암흑 에너지)과 강화된 중력적 상호작용(암흑 물질)을 동시에 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 장거리 영역에서 선형화된 중력 포텐셜과 효과적 중력 상호작용의 행동을 분석하기 위해.

제안 방법

• 기본 양자 중력의 양자 효과적 작용의 근사로 유클리드 시공간에서 비국소적 작용을 수립하기 위해.
• 스위처-켈디시 기법을 사용하여 유클리드 양자장 이론 결과를 라이만 부호 시공간에서의 인과적인 기대값으로 매핑하기 위해.
• 비국소적 유클리드 작용에서 계량장의 평균값에 대한 효과적 운동 방정식을 유도하기 위해.
• 평탄한 배경과 (A)dS 배경에 대해 온-shell 작용을 분석하여 그 값이 0임을 보이고, 이는 안정적인 진공 상태임을 나타냄.
• 저에너지 (A)dS 영역에서 점입자 소스의 선형화된 중력 포텐셜을 계산하기 위해.
• 장거리 근처에서의 효과적 중력 상수 $ G_{\text{eff}} $ 를 결정하고 뉴턴의 중력 상수 $ G_N $ 과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평탄한 공간에서 일반 상대성 이론의 극한을 가지며, 임의의 진공 에너지 상수를 가진 안정적인 디Sitter 또는 양-디Sitter 배경을 지닐 수 있는 비국소적 중력 이론은 존재하는가?
• RQ2 유클리드 효과적 작용에서 유도된 인과적인 운동 방정식은 일반 상대성 이론과 동일하게 질량이 없는 중력파가 두 개의 수직 진동수 성분을 가지며 전파되는가?
• RQ3 이론의 저에너지 (A)dS 영역에서 효과적 중력 상수 $ G_{\text{eff}} $ 가 뉴턴의 중력 상수 $ G_N $ 와 비교해 상당히 크게 나타나, 장거리에서의 중력 상호작용이 강화되는가?
• RQ4 이러한 수정된 중력 상수는 동시에 우주의 가속 팽창과 암흑 물질 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 평탄한 공간과 (A)dS 배경에 대해 온-shell 작용이 0이 되는가? 이는 그들이 양자 진공 상태로서 안정함을 의미하는가?

주요 결과

• 이론은 임의의 진공 에너지 상수를 가진 안정적인 디Sitter 및 양-디Sitter 배경을 지지하며, 고에너지 및 저에너지 영역의 진공 상태로 기능한다.
• 라이만 시공간에서의 효과적 운동 방정식은 일반 상대성 이론과 동일하게 질량이 없는 중력파가 두 개의 수직 진동수 성분을 가지며 전파됨을 보여준다.
• 평탄한 공간과 (A)dS 배경에 대해 온-shell 작용이 0이 되어, 이들이 양자 진공 상태로서 안정함을 확인한다.
• 저에너지 (A)dS 영역에서 효과적 중력 상수 $ G_{\text{eff}} $ 는 뉴턴의 중력 상수 $ G_N $ 와 비교해 상당히 크게 나타나, 장거리에서의 강력한 중력 강화를 나타낸다.
• 이 강화된 상호작용은 자연스럽게 우주의 가속 팽창(암흑 에너지)을 설명하며, 장거리에서의 증가된 중력적 상호작용을 통해 암흑 물질의 효과를 모방한다.