[論文レビュー] Probing a QCD String Axion with Precision Cosmological Measurements

P. Fox, Pierce, Aaron+1 more|ArXiv.org|Sep 6, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、PLANCK偏光測定実験が原始的重力波を検出することでインフレーションエネルギー スケール H_inf ≥ 10^13 GeV であると示唆するならば、弦/M理論の compact なモジュライから生じるQCD ストリングアキソンが、等方的摂動と非ガウス性を通じて宇宙マイクロ波背景（CMB）に検出可能なインプリントを残す可能性があることを示している。この結果は初期宇宙におけるPeccei-Quinn対称性が破れていないという仮定にのみ依存し、初期のミスアライメント角、ダークマターの残存割合、または遅延したエントロピー放出といった宇宙論的仮定とは無関係に成立する。

ABSTRACT

String and M-theory compactifications generically have compact moduli which can potentially act as the QCD axion. However, as demonstrated here, such a compact modulus can not play the role of a QCD axion and solve the strong CP problem if gravitational waves interpreted as arising from inflation with Hubble constant $H_inf \gsim 10^{13}$ GeV are observed by the PLANCK polarimetry experiment. In this case axion fluctuations generated during inflation would leave a measurable isocurvature and/or non-Gaussian imprint in the spectrum of primordial temperature fluctuations. This conclusion is independent of any assumptions about the initial axion misalignment angle, how much of the dark matter is relic axions, or possible entropy release by a late decaying particle such as the saxion; it relies only on the mild assumption that the Peccei-Quinn symmetry remains unbroken in the early universe.

研究の動機と目的

• ストリング／M理論のcompactなモジュライから生じるQCD ストリングアキソンが、高精度な宇宙論的測定によって探査可能かどうかを調査すること。
• インフレーションスケールが十分に高い場合、そのようなアキソンのインフレーション期の量子揺らぎが、宇宙マイクロ波背景（CMB）に観測可能なシグネチャを生成するかどうかを特定すること。
• 初期ミスアライメント角、ダークマターの残存密度、および遅延したエントロピー放出といったさまざまな宇宙論的仮定のもとで、これらのシグネチャの頑健性を評価すること。
• 特にPLANCK実験からの今後のCMB観測に基づいて、このようなアキソンの存在についてモデルに依存しない制約を確立すること。

提案手法

• Peccei-Quinn対称性が初期宇宙で破れていないと仮定し、インフレーション期におけるcompactなモジュライがQCDアキソンとして振る舞う量子揺らぎを分析する。
• アキソン揺らぎによって引き起こされるCMBパワースペクトルにおける初期状態の等方的摂動および非ガウス性を計算する。
• axionダイナミクスによって誘導される非ガウス的温度揺らぎをモデル化するために、Φ = Φ_L + f_NL(Φ_L² − ⟨Φ_L²⟩) のパラメータ化を用いる。
• 有限温度におけるアキソン質量を計算するために、希釈インスタントンガス近似を用い、次に高い順序補正を含む。
• インスタントン積分を用いて温度依存のアキソン質量 m_a(T) を導出し、N_c=3, N_f=3 に対して数値的にフィットする。
• アキソン揺らぎの大きさとインフレーションのハッブルスケール H_inf の関係を示し、H_inf ≥ 10^13 GeV の場合に観測可能なインプリントが生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリング／M理論のcompactなモジュライから生じるQCD ストリングアキソンが、CMBに観測可能なシグネチャを生成できるか？
• RQ2 そのようなアキソンのインフレーション期の量子揺らぎが、CMBにおける等方的摂動および非ガウス性に与える影響は何か？
• RQ3 初期ミスアライメント角や遅延したエントロピー放出といった宇宙論的不確実性に対して、これらのシグネチャはどれほど頑健か？
• RQ4 CMB測定によってそのようなアキソンを検出可能にするために必要な最小のインフレーションスケール H_inf は何か？
• RQ5 PLANCK偏光測定実験が、ストリング／M理論的QCDアキソンの存在をどのような条件下で除外できるか？

主な発見

• PLANCK実験が原始的重力波を検出し、H_inf ≥ 10^13 GeV を示唆するならば、ストリング／M理論的QCDアキソンはCMBに測定可能な等方的摂動インプリントを残す。
• 同じインフレーションスケールでは、アキソン揺らぎによってCMB温度揺らぎに検出可能な非ガウス性シグネチャも生成される。
• これらのシグネチャは、初期アキソンのミスアライメント角、リリックアキソン由来のダークマターの割合、または遅延して崩壊する粒子からのエントロピー放出といった要因とは無関係に生じる。
• この分析は、初期宇宙におけるPeccei-Quinn対称性が破れていないという仮定にのみ依存する。
• 有限温度におけるアキソン質量は、次に高い順序補正を含む希釈インスタントンガス近似を用いて計算され、N_f=3 の場合、m_a(T)/m_a ≃ C(Λ_QCD/200 MeV)^α(Λ_QCD/T)^β[1−ln(Λ_QCD/T)]^d という形のフィット式が得られ、C≈0.018, α=0.5, β≈4.0, d≈1.2 となる。
• 非ガウス性パラメータ f_NL は次元なしの歪度 S_3 と S_3 ≃ 18f_NL⟨(δT/T)^2_tot⟩^{1/2} の関係で結びついており、観測可能なCMB歪度とアキソンダイナミクスを結びつける。