[论文解读] Brane World Phenomenology and the Z_2 Symmetry

Anne-Christine Davis, Stephen C. Davis+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2000

Black Holes and Theoretical Physics被引用 1

一句话总结

本文推导了具有与不具有 Z₂ 对称性的膜世界中的弗里德曼方程，表明打破 Z₂ 对称性会改变宇宙膨胀的动力学。研究在无限额外维中找到了全局解，并展示了在相变、拓扑缺陷和 GUT 重子生成方面与标准膜世界情景相比的关键现象学差异。

ABSTRACT

The Friedmann equation for a positive tension brane world with and without the Z_2 symmetry is derived and the possible effects of dropping the Z_2 symmetry on the expansion of our Universe are discussed. The global solutions for the metric in the infinite extra dimension case are found; cosmological constraints are discussed. This is applied to various phenomenological aspects of brane worlds, including phase transitions, topological defects and GUT baryogenesis. Important differences to the usual case are elucidated.

研究动机与目标

• 研究放松膜世界模型中 Z₂ 对称性对宇宙学的影响。
• 推导具有正膜张力的膜世界在具有与不具有 Z₂ 对称性情况下的弗里德曼方程。
• 确定在无限额外维情景下，Z₂ 对称性的缺失如何影响宇宙的膨胀速率。
• 探索非 Z₂ 对称膜世界中相变、拓扑缺陷和 GUT 尺度重子生成等现象学后果。
• 将这些结果与标准 Z₂ 对称膜世界框架进行比较，识别关键的物理差异。

提出的方法

• 推导了在 5D 体时空中具有正膜张力的膜世界在满足与不满足 Z₂ 边界条件下的有效弗里德曼方程。
• 在无限额外维情况下构建了度规的全局解，通过适当的边界条件求解爱因斯坦方程。
• 应用推导出的度规和宇宙学方程来分析宇宙演化，包括哈勃参数与能量密度的关系。
• 通过考察对称性恢复和临界温度，评估 Z₂ 对称性破缺对相变的影响。
• 评估在缺乏 Z₂ 对称性时，如宇宙弦和域壁等拓扑缺陷的形成与演化。
• 通过分析重子数破坏过程和萨拉马过程，研究非对称膜世界中 GUT 重子生成机制的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有无限额外维的膜世界中，Z₂ 对称性的缺失如何修改弗里德曼方程？
• RQ2 在非 Z₂ 对称情况下，全局度规解是什么？它们如何影响膜世界的宇宙演化？
• RQ3 在膜世界框架下，Z₂ 对称性破缺如何影响早期宇宙中相变的动力学？
• RQ4 当 Z₂ 对称性被放松时，对拓扑缺陷的形成与稳定性有何影响？
• RQ5 在非 Z₂ 对称膜世界中，GUT 尺度重子生成是否仍可行？其与标准情况有何不同？

主要发现

• 在非 Z₂ 对称情况下，弗里德曼方程表现出与标准 Z₂ 对称情景不同的膨胀动力学，尤其是在早期宇宙中。
• 在无限额外维情况下找到了度规的全局解，表明 Z₂ 对称性的缺失导致不对称的体几何结构和非平凡的膜-体能量交换。
• 由于有效势的修改和对称性恢复尺度的变化，非 Z₂ 情况下的相变被改变，影响了临界温度和相变强度。
• 如宇宙弦和域壁等拓扑缺陷的形成与稳定性条件不同，其产生可能因对称性破缺模式而增强或抑制。
• GUT 重子生成机制仍有可能实现，但其因 Z₂ 对称性的缺失而被修改，影响了萨拉马过程的跃迁速率和重子数破坏过程。
• 本文识别出宇宙演化中的显著现象学差异，包括修改后的哈勃膨胀速率和能量密度标度，尤其在高红移时更为显著。