[論文レビュー] Hubble Hullabaloo and String Cosmology

Luis A. Anchordoqui|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、クォーク・ハドロン遷移期における有効相対論的自由度（$\Delta N_{\rm eff}$）の修正によってハッブル緊張を解消するため、ストリング理論に由来する重い $Z^\prime$ ゲージボソンを導入したモデルを提案する。脱結合条件 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$ を用いて、$\Delta N_{\rm eff} \in [0.324, 0.544]$ と整合する予測可能な $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ パラメータ空間を導出。宇宙論的データとLHCラン3の探索結果を結びつける。

ABSTRACT

The discrepancy in measurements of the Hubble constant indicates new physics in dark energy, dark matter, or both. Drawing inspiration from string theory, we explore possible solutions to overcome the $H_0$ problem. We investigate the interplay between the cosmological determination of $ΔN_{ m eff}{}$ and $Z'{}$ searches at the LHC Run3.

研究の動機と目的

• ローカルな $H_0$ 測定値（約 74 km s⁻¹ Mpc⁻¹）とCMB由来の値（約 67.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹）との間の持続的ハッブル緊張を、$\Lambda$CDMを越える新しい物理によって解決すること。
• クォーク・ハドロン遷移期に有効相対論的自由度（$\Delta N_{\rm eff}$）を変化させ得る新しいゲージボソンのストリング理論的動機づけを検討すること。
• 脱結合条件 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$ と $\Delta N_{\rm eff}$ の観測的制約を用いて、重い $Z^\prime$ ゲージボソンの質量と結合定数を制約すること。
• 宇宙論的 $\Delta N_{\rm eff}$ 測定とLHCラン3での直接探索を結びつける予測可能なフレームワークを提供すること。
• 理論的素粒子物理学と観測的宇宙論を結ぶべく、$Z^\prime$ の結合定数と初期宇宙におけるエントロピー力学を結びつけること。

提案手法

• クォーク・ハドロン遷移期（150–500 MeV）における $s(T)/T^3$ のパラメータ化を用いて、初期宇宙のエントロピー密度をモデル化。クォーク、グルーオン、相対論的フェルミオンの寄与を含む。
• 有効相対論的自由度 $g_*(T)$ を $g_*(T) \simeq 47.5\, r(T) + 19.25$ を用いて計算。ここで $r(T)$ はステファノ＝ボルツマン則からのずれを表す。
• 脱結合条件 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$ を適用し、$Z^\prime$ の質量と有効結合定数 $g_{\rm eff}$ を決定。$\Gamma(T)$ は $Z^\prime$–ニュートリノ散乱断面積から導出。
• キーとなる制約式 $\frac{g_{\rm eff}}{M_{Z^\prime}} = \left(\frac{3}{\Delta N_{\rm eff}}\right)^{3/32} \left(\frac{17.41}{M_{\rm Pl}\, T_{\rm dec}^3}\right)^{1/4}$ を導出し、$\Delta N_{\rm eff}$ と $Z^\prime$ パラメータを結びつける。
• $\Delta N_{\rm eff} \in [0.324, 0.544]$ の範囲で許容される $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ パラメータ空間をマッピング。ハッブル緊張を解消するのに必要な $\sim 0.5$ の $\Delta N_{\rm eff}$ を包摂する。
• Dブレーン実現において $Z^\prime$ が右側アイソスピンに結合する場合を検討し、LHCラン3の実験的制約と整合性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリング理論的モデルに由来する重い $Z^\prime$ ゲージボソンが、クォーク・ハドロン遷移期における $\Delta N_{\rm eff}$ の修正によってハッブル緊張を解消できるか。
• RQ2 脱結合条件 $\Gamma(T_{\rm dec}) = H(T_{\rm dec})$ と観測的 $\Delta N_{\rm eff}$ 制約から導かれる $Z^\prime$ の質量と結合定数の制約は何か。
• RQ3 遷移期におけるクォーク・グルーオンプラズマのエントロピー変化が、有効相対論的自由度および $\Delta N_{\rm eff}$ に与える影響は何か。
• RQ4 現在の $\Delta N_{\rm eff}$ 制約を踏まえると、LHCラン3実験が $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ パラメータ空間のどの程度を探索可能か。
• RQ5 このモデルは、特に $Z^\prime$ が右側アイソスピンの第三成分に結合するDブレーン構造と整合するか。

主な発見

• モデルは、$\Delta N_{\rm eff}$ と $Z^\prime$ パrameterを結びつける予測可能な式 $g_{\rm eff}/M_{Z^\prime}} \sim \left(\frac{3}{\Delta N_{\rm eff}}\right)^{3/32} \left(\frac{17.41}{M_{\rm Pl}\, T_{\rm dec}^3}\right)^{1/4}$ を予測する。
• $\Delta N_{\rm eff} = 0.324$（中央値）の場合、モデルは図6に示される $g_{\rm eff}$–$M_{Z^\prime}$ パラメータ空間と整合し、上界 $\Delta N_{\rm eff} = 0.544$ がハッブル緊張を解消するために必要な $\sim 0.5$ を包摂する。
• $Z^\prime$ は $T_{\rm dec} \approx 150$–$500$ MeV でプラズマから脱結合し、クォーク・ハドロン遷移期に対応。エントロピー力学が $g_*(T)$ を顕著に変化させる。
• モデルは完全に予測可能であり、LHCラン3の制約と整合する。図6の水平線は、$Z^\prime$ が右側アイソスピンの第三成分に結合するDブレーンモデルを示している。
• LHC実験の制約により $Z^\prime$ の質量は下限で制限され、図6の水平線の左端は現在の $M_{Z^\prime} > 2.5$ TeV の制約を反映している。
• 将来のCMB実験（CMB-S4：$\sigma(\Delta N_{\rm eff}) \sim 0.06$、CMBPol：$\sigma(\Delta N_{\rm eff}) \sim 0.09$）により、このモデルの予測が高精度でテスト可能となる。