[论文解读] The H0 tension conundrum: did a QCD meV axion emerge?

M. Cerdonio|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出，H₀张力——即早期与晚期宇宙中哈勃常数测量值之间的差异——源于一种新型轻玻色子粒子的出现，具体而言是一种质量在几meV量级的QCD轴子。通过采用洛伦兹不变的真空能正则化方法，该模型将观测到的有效宇宙学常数的变化与该粒子的能量密度联系起来，表明此类轴子可能解决H₀张力问题，并可通过近期提出的实验方案探测到。

ABSTRACT

I discuss the possibility that the difference in the measured Hubble constant Ho between the current, Late, and the z ~1100, Early, epochs is due to the emergence in between of a new particle. I connect that difference with a change in the effective cosmological constant observed by LambdaCDM, which is induced by the energy density of the vacuum of the field of the new particle. Then I try to provide the main characteristics of the particle, boson vs fermion and mass, using the measured change in Ho and a Lorentz invariant regularization of the energy density of vacuum, which relates it to such characteristics. The result indicates that a boson of mass in the range of few meV emerged. A QCD post-inflation cosmological axion in this mass range is allowed by recent analysis and its detection may be attempted according to recent experimental proposals.

研究动机与目标

• 解决早期与晚期宇宙中哈勃常数测量值之间持续存在的H₀张力问题。
• 探讨在早期与晚期宇宙时期之间出现的新粒子是否可解释观测到的H₀差异。
• 利用真空能正则化与观测到的H₀变化，确定此类粒子的关键属性——质量、自旋与统计性质。
• 评估质量在几meV范围内的QCD轴子作为解决H₀张力候选者的可行性。

提出的方法

• 将有效宇宙学常数的变化建模为新粒子场真空能密度的诱导效应。
• 应用洛伦兹不变正则化方法计算新粒子场的真空能密度。
• 在该粒子于再组合之后出现的假设下，将观测到的H₀偏移与新粒子的能量密度相关联。
• 从测量到的H₀差异推导出对粒子质量与自旋（玻色子与费米子）的约束。
• 利用能量密度关系推断该粒子必为质量在几meV量级的轻玻色子。
• 评估其与QCD轴子模型及近期实验探测方案的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 H₀张力是否可由早期与晚期宇宙时期之间新轻粒子的出现来解释？
• RQ2 为通过真空能效应解释观测到的H₀差异，新粒子必须具备何种质量与自旋特性？
• RQ3 质量在几meV范围内的QCD轴子是否与从H₀张力推导出的约束一致？
• RQ4 洛伦兹不变的真空能正则化如何与有效宇宙学常数的观测变化相联系？
• RQ5 所提出的粒子是否可通过当前或近期的实验轴子探测手段探测到？

主要发现

• 必须存在一种质量在几meV范围内的轻玻色子，才能通过真空能效应解释观测到的H₀差异。
• 该粒子的出现会在ΛCDM框架内引起有效宇宙学常数的可测量变化。
• 该模型预测该粒子为玻色子，与轴子样行为及QCD轴子理论一致。
• 通过洛伦兹不变方法正则化的该新粒子的真空能密度，与H₀偏移所暗示的能量尺度相符。
• 所预测的轴子质量范围与近期宇宙学分析一致，并处于即将开展的实验方案的探测灵敏度窗口内。
• 研究结果表明，通过一种新基本粒子实现H₀张力解决的可行且可检验的机制。