[論文レビュー] Tracking Dark Energy from Axion-Gauge Field Couplings

Stephon Alexander, Robert Brandenberger+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、非アーベルゲージ場のポントリャーギン密度に結合する擬スカラー軸子場が、磁気ヘリシティに起因する漸近的増大によって、プランクスケール未満の場値においてもゆっくりと滑らかに進化するトラッキング型のダークエネルギーモデルを提案する。初期には軸子のエネルギー密度が放射支配の背景をトラッキングするが、後に増大し、初期エネルギー密度が小さなバリオン数対エントロピー比に調整されることで、観測と整合する晩年のダークエネルギー寄与をもたらす。

ABSTRACT

We propose a toy model of Dark Energy in which the degrees of freedom currently dominating the energy density of the universe are described by a pseudo-scalar "axion field" linearly coupled to the Pontryagin density, $ ext{tr}(F \wedge F)$, i.e., the exterior derivative of the Chern-Simons form, of a gauge field. We assume that the axion has self-interactions corresponding to an exponential potential. We argue that a non-vanishing magnetic helicity of the gauge field leads to slow-rolling of the axion at field values far below the Planck scale. Our proposal suggests a "Tracking Dark Energy Scenario" in which the contribution of the axion energy density to the total energy density is constant (and small), during the early radiation phase, until a secular growth term proportional to the Pontryagin density of the gauge field becomes dominant. The initially small contribution of the axion field to the total energy density is related to the observed small baryon-to-entropy ratio.

研究の動機と目的

• 軸子場がゲージ場のポントリャーギン密度に結合することで、ダークエネルギー生成のメカニズムを提案すること。
• 非アーベルゲージ場の磁気ヘリシティ効果によって、プランクスケール未満の軸子場値でもゆっくりと滑らかに進化する動的機構を説明すること。
• 軸子エネルギー密度が初期には放射支配背景をトラッキングし、後に増大して晩年において支配的になることを示すこと。
• 観測された小さなバリオン数対エントロピー比と関連づけて、初期の小さな軸子エネルギー密度を自然に説明し、晩年のダークエネルギー支配を保証すること。

提案手法

• 非アーベルゲージ場 Aμ のポントリャーギン密度 tr(F ∧ F) に線形に結合する擬スカラー軸子場 φ を含む作用 functional を定式化する。
• 自己相互作用をモデル化し、ゆっくりと滑らかに進化する動的を可能にするために、軸子のための指数関数的ポテンシャル V(φ) を導入する。
• 軸子-ポントリャーギン結合が存在する状況におけるゲージ場の運動方程式を導出し、電場成分における漸近的増大を示す。
• 軸子場のエネルギー密度の時間発展 Ωφ(t) を解析し、放射支配期には一定に保たれ、ゲージ場の質量が関与し始める後はスケール因子に比例して線形に増大することを示す。
• 小規模なレプトン数対エントロピー比を制約条件として用い、初期の軸子エネルギー密度を調整することで、現在に近づくと Ωφ が 1 に近づくようにする。
• 電磁気への直接的相互作用を仮定しないことで、光の偏光回転に関する制約を回避し、軸子が電磁気への結合から逃れる根拠を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージ場のポントリャーギン密度に結合する軸子場は、プランクスケール未満の場値においてもゆっくりと滑らかに進化する動的を達成できるか？
• RQ2 その結果生じる軸子場のエネルギー密度は、放射支配背景をトラッキングし、後に時間的に増大して晩年において支配的になるか？
• RQ3 初期の小さな軸子エネルギー密度は、観測された小さなバリオン数対エントロピー比と自然に結びつけられるか？
• RQ4 ゲージ場の磁気ヘリシティが、軸子のエネルギー密度の漸近的増大をどのように駆動しているか？
• RQ5 モデルは、光への軸子結合に関する天体物理学的・宇宙論的制約を回避しつつ、ダークエネルギーとして成立可能か？

主な発見

• 非アーベルゲージ場のポントリャーギン密度への結合のおかげで、プランクスケール未満の場値においても軸子場がゆっくりと滑らかに進化し、ダークエネルギーとして機能可能である。
• 軸子場のエネルギー密度 Ωφ は初期の放射支配期に一定に保たれ、背景エネルギー密度をトラッキングする。
• ゲージ場の質量が関与し始める後、Ωφ はスケール因子に比例して線形に増大し、物質-放射等価点まではその増大が続くが、以降は一時的に増大が止まる。
• ポントリャーギン結合によって駆動される漸近的増大項が、後に再び Ωφ の上昇を引き起こし、晩年には 1 に近づく。
• 初期の軸子エネルギー密度が小規模なレプトン数対エントロピー比によって決定される限り、次元なし結合定数のわずかな調整で観測されたダークエネルギー密度を達成可能である。
• 電磁気への直接的相互作用を仮定しないことで、軸子は光の偏光回転に関する制約を回避し、結果として電磁気結合からの制約を回避する。