[论文解读] Constraints on pseudoscalar-photon interaction from CMB polarization observation

Wei-Tou Ni|ArXiv.org|Oct 22, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文利用宇宙微波背景（CMB）极化观测，回顾了赝标量-光子相互作用的约束，表明此类相互作用会引致波长无关的宇宙极化旋转。来自WMAP及其他实验的CMB数据将旋转角限制在±100 mrad以内，为有效赝标量-光子耦合提供了强有力的限制，并探测了可能的洛伦兹对称性或CPT对称性破坏。

ABSTRACT

Effective pseudoscalar-photon interaction(s) would induce a rotation of linear polarization of electromagnetic wave propagating with cosmological distance in various cosmological models. Pseudoscalar-photon interaction is proportional to the gradient of the pseudoscalar field. From phenomenological point of view, this gradient could be neutrino number asymmetry, other density current, or a constant vector. In these situations, Lorentz invariance or CPT may effectively be violated. CMB polarization observations are superb tests of these models and have the potential to discover new fundamental physics. In this paper, we review the constraints on pseudoscalar-photon interaction from CMB polarization observation.

研究动机与目标

• 评估可能导致有效洛伦兹对称性或CPT对称性破坏的赝标量-光子相互作用的唯象学模型。
• 评估CMB极化观测作为探测新基本物理潜力的手段。
• 综合多个CMB实验对赝标量-光子耦合强度的约束。
• 通过其波长无关性，将宇宙极化旋转与法拉第旋转区分开来。

提出的方法

• 通过拉格朗日量中的类陈-西蒙斯项建模赝标量-光子相互作用，其比例与赝标量场的梯度成正比。
• 推导电磁波在宇宙距离传播时线性极化的诱导旋转。
• 利用极化涨落的协方差 <[δφ(2)−δφ(1)]²>，推断最后散射面处的极化旋转角约束。
• 分析来自DASI、WMAP及其他实验的CMB E模和温度-极化（TE）相关性数据，以检测与标准预测的偏离。
• 将观测到的极化各向异性与赝标量-光子耦合下的理论预测进行比较，以提取旋转角的上限。
• 利用宇宙极化旋转的波长无关性，从高精度数据中分离其与磁致法拉第旋转的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 赝标量-光子相互作用在CMB极化各向异异中有哪些可观测特征？
• RQ2 赝标量-光子相互作用如何改变CMB中温度与E模极化之间的相关性？
• RQ3 CMB极化数据在多大程度上能约束有效赝标量-光子耦合的强度？
• RQ4 在当前及未来的CMB观测中，能否将宇宙极化旋转与法拉第旋转区分开来？
• RQ5 观测约束对量子场论中洛伦兹对称性或CPT对称性破坏的模型有何影响？

主要发现

• WMAP1的CMB极化观测将宇宙极化旋转角约束在Δφ ≈ ±100 mrad（95%置信水平）以内。
• 后续对WMAP3和WMAP5数据的分析得到更紧的约束，最佳拟合值范围为−45 ± 33 mrad至9.6 ± 14.3 mrad。
• 来自DASI、WMAP及B03数据的所有约束在2σ水平内与零旋转一致，表明未显著检测到赝标量-光子相互作用。
• 宇宙极化旋转的波长无关性为其与法拉第旋转提供了关键区分特征，使高精度数据中可分离两种效应。
• PLANCK、B-Pol、CMBpol及LiteBIRD任务预计将进一步提升灵敏度，探测更低水平的赝标量-光子耦合。
• 这些观测对以中微子数不对称性、密度流或恒定矢量作为赝标量梯度来源的理论模型构成约束。