[논문 리뷰] Tracking Dark Energy from Axion-Gauge Field Couplings

Stephon Alexander, Robert Brandenberger외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비아벨 게이지 장의 폰트리아긴 밀도에 결합된 편미분 스칼라 악시온 장이 자기회전성에 의해 영구적인 성장을 겪음으로써, 플랑크 상수 이하의 장 값에서도 느린 굴림 진동을 달성하는 추적 가능한 어두운 에너지 모델을 제안한다. 악시온의 에너지 밀도는 초기에 복사 우도를 따라가지만, 나중에 증가하여 관측 결과와 일치하는 저지대 어두운 에너지 기여를 제공한다. 이는 초기 에너지 밀도가 작은 양성자 대 엔트로피 비율에 맞추어 조정되었을 때 성립한다.

ABSTRACT

We propose a toy model of Dark Energy in which the degrees of freedom currently dominating the energy density of the universe are described by a pseudo-scalar "axion field" linearly coupled to the Pontryagin density, $ ext{tr}(F \wedge F)$, i.e., the exterior derivative of the Chern-Simons form, of a gauge field. We assume that the axion has self-interactions corresponding to an exponential potential. We argue that a non-vanishing magnetic helicity of the gauge field leads to slow-rolling of the axion at field values far below the Planck scale. Our proposal suggests a "Tracking Dark Energy Scenario" in which the contribution of the axion energy density to the total energy density is constant (and small), during the early radiation phase, until a secular growth term proportional to the Pontryagin density of the gauge field becomes dominant. The initially small contribution of the axion field to the total energy density is related to the observed small baryon-to-entropy ratio.

연구 동기 및 목표

• 게이지 장의 폰트리아긴 밀도에 결합된 악시온 장을 통한 어두운 에너지 생성 메커니즘을 제안한다.
• 비아벨 장 값 이하의 악시온 장 값이 자기회전성 효과에 의해 느린 굴림 역학을 유지할 수 있는 방법을 설명한다.
• 악시온 에너지 밀도가 초기에는 복사 우도 배경을 따라가며, 나중에 증가하여 저지대에서 우세해지는 것을 보여준다.
• 작은 초기 악시온 에너지 밀도를 관측된 작은 양성자 대 엔트로피 비율과 자연스럽게 연결함으로써, 저지대 어두운 에너지 우세를 확보한다.

제안 방법

• 비아벨 게이지 장 Aμ의 폰트리아긴 밀도 tr(F ∧ F)에 선형적으로 결합된 편미분 스칼라 악시온 장 φ의 작용 함수를 수립한다.
• 악시온의 자가상호작용을 모델링하고 느린 굴림 역학을 가능하게 하기 위해 V(φ)의 지수형 포텐셜을 도입한다.
• 악시온-폰트리아긴 결합이 존재하는 상황에서 게이지 장의 운동 방정식을 유도하여 전기장 성분의 영구적 성장을 보여준다.
• 악시온 장의 에너지 밀도 진동 Ωφ(t)의 진화를 분석하여, 복사 우도 우주에서 일정하게 유지되고, 게이지 장 질량이 중요해진 후 스케일 인자와 선형적으로 증가함을 보여준다.
• 소규모 렙톤 대 엔트로피 비율을 제약 조건으로 사용하여 초기 악시온 에너지 밀도를 조정함으로써, 현재 근처에서 Ωφ가 1에 수렴하도록 한다.
• 빛의 편광 각도 변화에 대한 제약 조건을 피하기 위해 전자기장과의 직접 상호작용이 없다는 가정을 통해 악시온이 광자 결합에 의한 제약을 피할 수 있음을 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이지 장의 폰트리아긴 밀도에 결합된 악시온 장이 플랑크 이하의 장 값에서도 느린 굴림 역학을 달성할 수 있는가?
• RQ2 악시온 장의 에너지 밀도가 복사 우도 배경을 따라가며, 저지대에서 영구적 성장을 통해 우세해지는가?
• RQ3 악시온 장의 작은 초기 에너지 밀도를 관측된 작은 양성자 대 엔트로피 비율과 자연스럽게 연결할 수 있는가?
• RQ4 게이지 장의 자기회전성이 악시온의 에너지 밀도 영구 성장을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 어떻게 모델은 광자 결합에 대한 천체물리학적 및 천문학적 제약을 피하면서도 어두운 에너지 모델로서 유의미하게 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 비아벨 게이지 장의 폰트리아긴 밀도에 결합된 악시온 장은 자기회전성에 의해 플랑크 이하의 장 값에서도 느린 굴림 진동을 달성하며, 이는 어두운 에너지로 작용할 수 있다.
• 악시온 장의 에너지 밀도 Ωφ는 초기 복사 우도 시기 동안 배경 에너지 밀도를 따라가며 일정하게 유지된다.
• 게이지 장 질량이 중요해진 후, Ωφ는 스케일 인자와 선형적으로 증가하며, 물질-복사 평형 이후에는 성장이 멈추고 영구적 성장 항목이 지배하게 된다.
• 폰트리아긴 결합에 의해 유도된 영구적 성장 항목은 결국 Ωφ가 다시 상승하고 저지대에서 1에 수렴하게 만든다.
• 초기 악시온 에너지 밀도가 소규모 렙톤 대 엔트로피 비율에 의해 결정되면, 차원 없는 결합 상수의 약간의 조정만으로도 관측된 어두운 에너지 밀도를 달성할 수 있다.
• 악시온은 전자기장과의 직접 상호작용이 없다는 가정을 통해 광자 결합에 의한 제약을 피하며, 빛의 편광 각도 변화에 의한 제약을 회피한다.