[論文レビュー] Invisible QCD as Dark Energy

Stephon Alexander, Antonino Marcianò+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、手のつけがたいQCD（IQCD）セクターにおいて、手のつけがたい対称性の破れがダークパンとグルーオンの凝集体を生成し、その結果として宇宙の遅刻期加速が生じると提案している。これらの成分間の相互作用エネルギーが負の圧力状態方程式を生じ、宇宙定数に類似した加速を駆動する。摂動解析により、ホライズン以下のモードが安定で、クラスタリングを示さないことが示された。

ABSTRACT

We account for the late time acceleration of the Universe by extending the QCD color to a $SU(3)$ invisible sector (IQCD). If the Invisible Chiral symmetry is broken in the early universe, a condensate of dark pions (dpions) and dark gluons (dgluons) forms. The condensate naturally forms due to strong dynamics similar to the Nambu--Jona-Lasinio mechanism. As the Universe evolves from early times to present times the interaction energy between the dgluon and dpion condensate dominates with a negative pressure equation of state and causes late time acceleration. We conclude with a stability analysis of the coupled perturbations of the dark pions and dark gluons.

研究の動機と目的

• 宇宙の観測された遅刻期加速を、宇宙定数を導入することなく説明すること。
• 隠れた非アーベルゲージセクター、特にQCDの見えないコピーが、強いダイナミクスによって自然にダークエネルギーを生成できるかどうかを調査すること。
• SU(3)の見えないセクターにおける手のつけがたい対称性の破れの宇宙論的意味を、QCDにおけるNambu–Jona-Lasinio機構に類似して調査すること。
• 遅刻期加速の文脈において、ダークパンとグルーオンの摂動の安定性とクラスタリング行動を評価すること。
• 同じ基本的IQCDセクターを通じて、ダークエネルギーとダークマターの間に潜在的な関係を確立すること。

提案手法

• 手のつけがたい対称性の破れがスケール $ f_D $ で起こるSU(3)の見えないQCD（IQCD）セクターを仮定し、ダークパンとグルーオンの凝集体が生成されることを示す。
• QCDの手のつけがたい凝集体と類似した、IQCDセクターにおける強いダイナミクスをモデル化するためにNambu–Jona-Lasinio機構を用いる。
• ゲージ場 $ A^a_\nu $ とフェルミオン的ダーククォーク $ \psi $ を含むIQCDセクターの有効作用を導出し、ラグランジアン $ \mathcal{L}_{\text{IQCD}} = -\frac{1}{4g^2}F^a_{\mu\nu}F_a^{\mu\nu} + \bar{\psi} D_\mu \gamma^\mu \psi $ を得る。
• 共形時間形式を用いて、Friedmann-Robertson-Walker時空におけるダークパンとゲージ場の結合摂動を解析する。
• 線形化された運動方程式を、ダークパンの摂動 $ \delta\pi^a $ とゲージ場の摂動 $ \delta A^a_\mu $ について解き、ホライズン以下のモードとホライズン上のモードに注目する。
• 平面波解の挙動を共形時間で調べることで安定性解析を実施し、有界な振動とゲージ場摂動の指数的抑制が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙の遅刻期加速は、宇宙定数を導入せずに、見えないQCDセクターで形成された凝集体によって説明可能か？
• RQ2 手のつけがたい対称性の破れとNambu–Jona-Lasinio機構は、ダークセクターにおける負の圧力成分を生成するために果たす役割は何か？
• RQ3 ダークパンとグルーオン場の摂動はどのように進化するのか？また、ホライズン以下のスケールでクラスタリングや不安定性を引き起こすか？
• RQ4 手のつけがたい対称性の破れのスケール $ f_D $ と観測されたダークエネルギーのスケールとの関係は何か？
• RQ5 このIQCDモデルは、同じ基本的セクターを通じて、ダークエネルギーとダークマターの両方を同時に説明できるか？

主な発見

• ダークグルーオンとダークパン凝集体間の相互作用エネルギーが、負の圧力状態方程式を生成し、遅刻期加速を引き起こす。
• 凝集体からの有効エネルギー密度は時間経過に伴いほぼ一定のまま保たれ、宇宙定数に類似した挙動を示す。
• ダークパン場のホライズン以下の摂動は有界で振動的であり、球ベッセル関数に類似した解を示し、不安定性がないことを示している。
• ゲージ場（ダークグルーオン）の摂動は共形時間において指数的に減衰し、小スケールでのクラスタリングが抑制される。
• ダークパン場のゼロモードは一定のまま保たれ、エネルギー密度への時間に依存しない寄与と整合的である。
• このモデルは、ダークエネルギー成分がホライズン以下のスケールでクラスタリングを示さないことを示しており、滑らかで均一なエネルギー成分としての役割を支持する。