[論文レビュー] Cosmological Constraints on Unparticles

J. McDonald|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、次元的トランスミュテーションスケール ΛU > ~1 TeV のセクターにおけるアンパースキュール相互作用の宇宙論的制約を、次元 dU のスカラー演算子を通じた熱的クォーク崩壊を用いて調査する。1.1 ≤ dU ≤ 2.0 および 2 ≤ dBZ ≤ 4 の範囲で、相互作用スケール MU > ~20–2600 TeV の下限が得られ、MU がその下限に近い場合にはアンパースキュール生成が放射支配期の温度を最大で ~1 TeV まで制限することが示された。

ABSTRACT

We study the cosmological constraints on unparticle interactions and the temperature of the Universe for an unparticle sector with dimensional transmutation scale ΛU> ∼ 1 TeV. By considering thermal background quark decay to unparticles via a scalar operator of dimension dU, we show that the condition that the Universe is not dominated by unparticles at nucleosynthesis imposes a lower bound on the scale of the interaction of the unparticle sector, with MU> ∼ 20 − 2600 TeV for 1.1 ≤ dU ≤ 2.0 and 2 ≤ dBZ ≤ 4. The existence of an unparticle sector also imposes an upper bound on the temperature of the Universe during radiation-domination, which can be as low as a TeV for MU close to its lower bound. 1

研究の動機と目的

• アンパースキュールセクターが初期宇宙の宇宙論に与える影響を評価すること、特にビッグバン核合成期における影響を特に注目する。
• アンパースキュールが放射支配期にエネルギー密度を支配する可能性があるかどうかを特定すること。これは観測された軽い元素の同位体比と矛盾する。
• 核合成の制約に基づいて、アンパースキュールセクターの相互作用スケール MU に対する制約を導出すること。
• アンパースキュール生成によって引き起こされる、放射支配期の温度の上限を調査すること。

提案手法

• スカラー演算子（次元 dU）を介してクォークがアンパースキュールに熱的崩壊することで生じるアンパースキュール生成をモデル化する。
• クォークとアンパースキュールを結合する有効ラグランジアンを用い、相互作用の強さはスケール MU によって制御される。
• 高温における熱的平衡状態でのクォーク崩壊からのアンパースキュール生成率を計算する。
• 核合成期にアンパースキュールがエネルギー密度を支配してはならないという条件を適用し、MU の下限を導出する。
• アンパースキュール生成が宇宙を過剰に閉じるのを避けるために、放射支配期の温度に対する上限を導出する。
• 解析の主要パラメータとして、アンパースキュールセクターの次元 dU と崩壊における自由度の数 dBZ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ΛU > ~1 TeV かつ dU ∈ [1.1, 2.0] であるアンパースキュールセクターの相互作用スケール MU に対して、核合成はどの程度の下限を課すか？
• RQ2 アンパースキュールの存在は、放射支配期における最大温度にどのような影響を及えるか？
• RQ3 宇宙論的制約がアンパースキュールの次元 dU と崩壊自由度の数 dBZ にどのように依存するか？
• RQ4 クォーク崩壊によるアンパースキュール生成は、核合成期にエネルギー密度を支配する原因となり得るか？その条件は何か？
• RQ5 MU が宇宙論的に許容される最小値にある場合、放射支配期の温度の上限は何か？

主な発見

• アンパースキュールの次元 dU と崩壊自由度の数 dBZ に依存して、MU > ~20–2600 TeV の下限が得られた。
• dU が 1.1 から 2.0 に増加するにつれて、MU の下限が強化（上昇）する。これは、dU が大きいほど制約が厳しくなることを示している。
• MU がその下限に近い場合には、アンパースキュールの過剰生成のため、宇宙の放射支配期の温度は ~1 TeV 未満に制限される。
• MU がその下限に近づくほど、温度の上限が低下する。これは、アンパースキュール効果が低いエネルギースケールで顕著になることを示唆している。
• 2 ≤ dBZ ≤ 4 および 1.1 ≤ dU ≤ 2.0 の範囲で、結果は安定しており、広範なアンパースキュールの素性をカバーしている。
• 本研究は、ΛU > ~1 TeV であるアンパースキュールセクターが、エネルギー密度を支配しないように十分に大きな相互作用スケール MU を持つ場合にのみ、宇宙論的に妥当であることを示している。