[논문 리뷰] The H0 tension conundrum: did a QCD meV axion emerge?

M. Cerdonio|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 17.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주와 후기 우주에서 측정된 허블 상수의 격리—H0 장애—가 새로운 경량 보손 입자의 존재에서 기인한다고 제안한다. 특히, 몇 meV 범위의 질량을 가진 QCD 아키온이 그 원인일 수 있다. 진공 에너지의 로레츠 불변 정규화를 사용하여, 관측된 효과적인 진공 포텐셜 상수의 변화를 입자의 에너지 밀도와 연결함으로써, 이러한 아키온이 H0 장애를 해결할 수 있고, 최근의 실험적 제안들에 의해 탐지 가능할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

I discuss the possibility that the difference in the measured Hubble constant Ho between the current, Late, and the z ~1100, Early, epochs is due to the emergence in between of a new particle. I connect that difference with a change in the effective cosmological constant observed by LambdaCDM, which is induced by the energy density of the vacuum of the field of the new particle. Then I try to provide the main characteristics of the particle, boson vs fermion and mass, using the measured change in Ho and a Lorentz invariant regularization of the energy density of vacuum, which relates it to such characteristics. The result indicates that a boson of mass in the range of few meV emerged. A QCD post-inflation cosmological axion in this mass range is allowed by recent analysis and its detection may be attempted according to recent experimental proposals.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주와 후기 우주의 허블 상수 측정치 사이의 지속적인 H0 장애를 해결하기 위해.
• 초기 우주와 후기 우주의 시기 사이에 새로운 입자가 나타나는 것이 관측된 H0의 격리 현상을 설명할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 관측된 H0 이동과 진공 에너지 정규화를 통해 유도된 입자의 특성—질량, 스핀, 통계—을 결정하기 위해.
• 몇 meV 범위의 QCD 아키온이 H0 장애를 해결할 수 있는 후보로 타당한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 새로운 입자 장의 진공 에너지 밀도에 의해 유도된 효과적인 진공 포텐셜 상수의 변화를 모델링하기 위해.
• 새로운 입자 장의 진공 에너지 밀도를 계산하기 위해 로레츠 불변 정규화를 적용하기 위해.
• 재결합 이후에 입자가 나타났다고 가정하여 관측된 H0 이동을 새로운 입자의 에너지 밀도와 연관시키기 위해.
• 측정된 H0 격리 현상에서 입자의 질량과 스핀(보손 대 페르미온)에 대한 제약 조건을 유도하기 위해.
• 에너지 밀도 관계를 이용해 입자가 몇 meV 범위의 경량 보손이어야 한다고 추론하기 위해.
• QCD 아키온 모델과 최근의 실험적 탐지 제안 사항과의 일치성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 우주와 후기 우주의 시기 사이에 새로운 경량 입자가 나타나는 것이 H0 장애를 설명할 수 있는가?
• RQ2 진공 에너지 효과를 통해 관측된 H0 격리 현상을 설명하기 위해 새로운 입자가 가져야 할 질량과 스핀 특성은 무엇인가?
• RQ3 몇 meV 질량 범위의 QCD 아키온은 H0 장애에서 유도된 제약 조건과 일치하는가?
• RQ4 진공 에너지의 로레츠 불변 정규화는 관측된 효과적인 진공 포텐셜 상수의 변화와 어떻게 연결되는가?
• RQ5 제안된 입자는 현재 또는 곧 진행될 실험적 아키온 탐지 노력으로 측정 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 진공 에너지 효과를 통해 관측된 H0 격리 현상을 설명하기 위해 몇 meV 범위의 경량 보손 입자가 필요하다.
• 입자의 존재는 라다마르크-CDM 프레임워크 내에서 효과적인 진공 포텐셜 상수의 측정 가능한 변화를 유도한다.
• 모델은 입자가 보손임을 예측하며, 아키온 유사 행동과 QCD 아키온 물리학과 일치한다.
• 로레츠 불변 방법으로 정규화된 새로운 입자의 진공 에너지 밀도는 H0 이동에 의해 암시된 에너지 스케일과 일치한다.
• 예측된 아키온 질량 범위는 최근의 천체물리학 분석과 일치하며, 향후 실험 제안 사항의 감도 창과 겹친다.
• 이러한 결과는 새로운 기본 입자를 통해 H0 장애를 해결할 수 있는 타당하고 검증 가능한 메커니즘을 시사한다.