[论文解读] Chain Early Dark Energy: Solving the Hubble Tension and Explaining Today's Dark Energy

Katherine Freese, Martin Wolfgang Winkler|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

该论文提出了链式早期暗能量（Chain EDE）模型，其中宇宙通过一系列快速、连续的首阶相变，在一系列亚稳态真空中演化，每个真空中能量更低。标量场的能量密度在物质-辐射相等时上升至约10%，通过减小声学时界缩短了声学视界，从而缓解了哈勃张力；若最终的隧穿过程极为缓慢，则可自然解释当今的暗能量，为早期和晚期宇宙加速提供统一起源。

ABSTRACT

We propose a new model of Early Dark Energy (EDE) as a solution to the Hubble tension in cosmology, the apparent discrepancy between local measurements of the Hubble constant $H_0\simeq 74$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ and $H_0\simeq 67$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ inferred from the Cosmic Microwave Background (CMB). In Chain EDE, the Universe undergoes a series of first order phase transitions, starting at a high energy vacuum in a potential, and tunneling down through a chain of every lower energy metastable minima. As in all EDE models, the contribution of the vacuum energy to the total energy density of the universe is initially negligible, but reaches $\sim 10\%$ around matter-radiation equality, before cosmological data require it to redshift away quickly -- at least as fast as radiation. We indeed obtain this required behavior with a series of $N$ tunneling events, and show that for $N>600$ the phase transitions are rapid enough to allow fast percolation and thereby avoid large scale anisotropies in the CMB. We construct a specific example of Chain EDE featuring a scalar field in a quasiperiodic potential (a tilted cosine), which is ubiquitous in axion physics and, therefore, carries strong theoretical motivation. Interestingly, the energy difference between vacua can be roughly the size of today's Dark Energy (meV scale). Therefore, the end result of Chain EDE could provide a natural explanation of Dark Energy, if the tunneling becomes extremely slow in the final step before the field reaches zero (or negative) energy. We discuss a simple mechanism which can stop the scalar field in the desired minimum. Thus Chain EDE offers the exciting prospect to explain EDE and Dark Energy by the same scalar field.

研究动机与目标

• 通过修改早期宇宙的膨胀历史，解决局部测量值 $H_0 \approx 74\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 与CMB推断值 $H_0 \approx 67\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 之间的哈勃张力。
• 克服单相变EDE模型的局限性，后者因孤立的气泡成核可能导致大尺度CMB各向异性。
• 构建一个可行的EDE模型，避免CMB各向异性约束，同时在物质-辐射相等后实现EDE能量密度的快速红移。
• 探索同一标量场在最终隧穿被抑制的条件下，是否也能解释当今的暗能量。
• 利用准周期势（倾斜余弦），该势在轴子物理中常见，提供一个理论动机充分的框架，实现相变链。

提出的方法

• 将宇宙建模为通过 $N$ 个亚稳态真空中的一系列首阶相变演化，每个真空中能量逐渐降低。
• 使用标量场在准周期势（倾斜余弦）中实现一系列极小值，该势受轴子物理启发，自然支持超过 $N > 600$ 次相变。
• 通过要求每个真空中寿命 $\lesssim$ 几年，确保每次隧穿事件足够迅速以实现气泡连通与再加热，避免大尺度CMB各向异性。
• 通过时间依赖机制（如触发场或类似放松子的反作用）控制隧穿速率，抑制早期隧穿，实现同步气泡成核。
• 通过确保 $N$ 次相变的累积效应导致快速衰减，实现物质-辐射相等后EDE能量密度的快速红移（快至辐射速度）。
• 提出一种机制，通过第二个标量场的反作用使场最终停留在最低真空中，使剩余真空能量匹配当今的暗能量密度（meV量级）。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过一系列首阶相变能否重现所需的EDE行为——在物质-辐射相等时能量密度上升至约10%，并快速衰减，同时不引发可观测的CMB各向异性？
• RQ2 在单个真空中寿命必须很短（$\lesssim$ 几年）的条件下，满足CMB各向异性约束所需的最少相变数 $N$ 是多少？
• RQ3 若最终隧穿被抑制，使场停留在一个具有微小、长寿命真空能量的真空中，同一标量场是否也能解释当今的暗能量？
• RQ4 如何使准周期势（如倾斜余弦）支持 $N > 600$ 个亚稳态真空中，同时维持所需的隧穿动力学？
• RQ5 能否构建一个自洽模型，使暴胀、EDE和当前的暗能量均通过同一标量场在单一势能景观中通过连续隧穿产生？

主要发现

• 链式EDE通过累积 $N > 600$ 次快速、连通的相变，实现了所需的EDE行为——能量密度在物质-辐射相等时上升至约10%，并衰减速度超过辐射。
• 在单个真空中寿命 $\lesssim$ 几年的条件下，该模型避免了大尺度CMB各向异性，满足当前CMB和大尺度结构数据的观测约束。
• 该模型通过减小物质-辐射解耦时的声学视界，缓解了哈勃张力，使CMB推断的 $H_0$ 与本地测量值一致。
• 链中相邻真空中能量差可达到当前暗能量密度量级（meV量级），从而为EDE与晚期加速提供统一解释。
• 若最终隧穿过程极慢，使场被“困”在具有残余真空能量的真空中，且其寿命超过宇宙年龄，则可使场稳定在该真空中，其能量匹配当今的暗能量。
• 该模型可通过单个标量场在准周期势（倾斜余弦）中实现，具有强烈的轴子物理理论动机，并自然支持 $N \gtrsim 10^4$ 次相变。