[论文解读] Constraints on Disformal Couplings from the CMB Temperature Evolution

Carsten van de Bruck, Jack Morrice+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文通过分析宇宙微波背景（CMB）温度演化和$μ$-畸变限制，约束了标量场与宇宙微波背景之间的非共形耦合。结果表明，此类耦合会改变光子的有效状态方程，并对标量场与物质及光子的相互作用强度施加严格限制，其中$w_\gamma = 1/3$的偏离作为关键观测特征。

ABSTRACT

Certain modified gravity theories predict the existence of an additional, non-conformally coupled scalar field. A disformal coupling of the field to the Cosmic Microwave Background (CMB) is shown to affect the evolution of the energy density in the radiation fluid and produces a modification of the distribution function of the CMB, which vanishes if photons and baryons couple in the same way to the scalar. We find the constraints on the couplings to matter and photons coming from the measurement of the CMB temperature evolution and from current upper limits on the $\mu$--distortion of the CMB spectrum. We also point out that the measured equation of state of photons differs from $w_\gamma = 1/3$ in the presence of disformal couplings.

研究动机与目标

• 研究标量场与CMB之间非共形耦合对辐射流体能量密度演化的影响。
• 利用测量的CMB温度演化数据和$μ$-畸变的上限，推导非共形耦合强度的观测约束。
• 确定非共形耦合如何改变光子的有效状态方程，使其偏离标准的$w_\gamma = 1/3$。

提出的方法

• 对标量场与光子及重子的非共形耦合进行建模，该过程破坏共形不变性并改变能量密度演化。
• 在非共形耦合下推导CMB分布函数的修正玻尔兹曼方程，表明存在非零校正项，仅当两组分耦合完全相同时才消失。
• 利用红移$z \lesssim 10^4$范围内CMB温度演化的观测数据，对耦合参数施加约束。
• 应用当前对$μ$-畸变的上限，进一步限制非共形耦合的允许参数空间。
• 计算存在非共形耦合时光子的有效状态方程，表明其偏离$w_\gamma = 1/3$。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量场与CMB之间的非共形耦合如何改变辐射流体能量密度的演化？
• RQ2 当前对CMB温度演化的测量在多大程度上约束了非共形耦合对物质和光子的强度？
• RQ3 由于非共形耦合，光子有效状态方程对$w_\gamma = 1/3$的预测偏离程度如何？
• RQ4 $μ$-畸变限制如何在温度演化数据之外进一步约束非共形耦合参数？
• RQ5 在何种条件下，非共形耦合对CMB分布函数的影响会消失？

主要发现

• 非共形耦合导致CMB分布函数发生改变，其依赖于光子和重子对标量场的相对耦合强度。
• 当光子和重子对标量场的耦合完全相同时，该效应消失，表明可观测信号受到对称性保护而被抑制。
• 对CMB温度演化观测的约束对非共形耦合参数施加了非平凡的限制，尤其在结合$μ$-畸变限制时更为显著。
• 在存在非共形耦合时，光子的有效状态方程偏离$w_\gamma = 1/3$，提供了独特的可观测特征。
• 结合温度演化与$μ$-畸变限制的分析，其约束结果比单独使用任一探针更为严格。