[論文レビュー] Cosmological constant problems and their solutions

Alexander Vilenkin|ArXiv.org|Jun 11, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、真空エネルギーの極めて小さな値と、銀河形成の時期と一致する点という2つの宇宙定数問題を特定する。著者は、観測者が小さな、後期に支配的になる宇宙定数を持つ領域に存在する可能性がより高いという人為的原理が、唯一の妥当な解決策であると主張する。これには、超平坦なポテンシャルを持つスカラー場、あるいは非常に小さな電荷を持つ四形式場が含まれるが、これらは根本的な素粒子物理学モデルから生じ得る。

ABSTRACT

There are now two cosmological constant problems: (i) why the vacuum energy is so small and (ii) why it comes to dominate at about the epoch of galaxy formation. Anthropic selection appears to be the only approach that can naturally resolve both problems. The challenge presented by this approach is that it requires scalar fields with extremely flat potentials or four-form fields coupled to branes with an extremely small charge. Some recent suggestions are reviewed on how such features can arise in particle physics models.

研究の動機と目的

• 古い宇宙定数問題（なぜ真空エネルギーがこれほど小さいのか）と新しい問題（なぜそれが銀河形成の時期に支配的になるのか）の違いを明確にすること。
• クインテッセンスやk-エネルギーといった代替モデルが、両方の問題を解決できるかどうかを評価すること。
• 人為的アプローチが、宇宙定数の小ささとタイミングの両方を自然に説明できる唯一の方法であると主張すること。
• このような人為的に好ましい条件が、現実的な素粒子物理学モデルからどのように生じるかを検討すること。
• 生命を支える惑星の軌道安定性や銀河質量の下限といった、観測者存在のための天体物理学的制約を扱うこと。

提案手法

• 宇宙定数が多宇宙全体で固定されたパラメータではなく、確率的変数であると仮定し、観測者が宇宙定数が小さく、銀河形成の時期に支配的になる領域でのみ存在可能であると提案する。
• 平坦なポテンシャル（例：$V(\phi) = M^{4+\beta}\phi^{-\beta}$）を持つスカラー場モデルを分析し、$M \ll M_P$ のとき、後期に真空エネルギーが支配的になる追跡解が得られることを示す。
• 非常に小さな電荷を持つブレーンに結合する四形式場を、小さな、後期に作用する宇宙定数を生成する代替メカニズムとして検討する。
• 観測者が巨大銀河に結びつけられていると仮定し、観測される真空エネルギー密度の確率分布 $\mathcal{P}(\rho_V)$ を用いて、特定の値を観測する可能性を計算する。
• 銀河形成の階層的制約を評価し、惑星および生命形成に必要な重元素を保持できる最小銀河質量（$\sim 10^9 M_\odot$）を含む。
• 星間接近レートや小規模銀河におけるコメット破壊 timescale といった動的制約を検討し、低質量系における観測者の存続可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された真空エネルギー密度は、プランクスケールの期待値と比べて何桁も小さいのはなぜか？
• RQ2 なぜ宇宙定数が銀河形成の時期にちょうどエネルギー密度の支配的になるのか？
• RQ3 人為的原理は、微調整を必要とせず、宇宙定数の小ささとタイミングの両方を説明できるか？
• RQ4 どのような素粒子物理学的メカニズムが、超平坦なポテンシャルを持つスカラー場や、非常に小さな結合電荷を持つ四形式場を生じさせ得るか？
• RQ5 観測者の出現に適した最小の実現可能な銀河質量と構造形成 timescale にはどのような天体物理学的制約があるか？

主な発見

• 人為的アプローチが、宇宙定数の小ささと一致問題の両方を同時に解決できる唯一の妥当な解決策である。
• ポテンシャル $V(\phi) = M^{4+\beta}\phi^{-\beta}$ を持つスカラー場は、$M \ll M_P$ のとき、後期に真空エネルギーが支配的になる追跡解を生じる。
• 非常に小さな電荷を持つブレーンに結合する四形式場も、小さな、後期に作用する宇宙定数を生成できる。
• 観測的制約から、惑星および生命形成に十分な重元素を保持できるのは、$\sim 10^9 M_\odot$ 以上の銀河に限られ、観測可能な場所の下限が定まる。
• 小規模銀河は時期が早すぎる上に重元素の保持能力に欠け、観測者の宿しやすい環境ではないため、人為的選択の観点から巨大銀河が主要な候補となる。
• 星間接近によるコメット破壊レートの増加は、複雑な生命の進化を妨げる可能性があり、さらなる制約をもたらすため、観測可能な環境を狭める。