[论文解读] Cosmological Constraints on Unparticles

J. McDonald|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了在维度转换标度 ΛU > ~1 TeV 的规范中，通过标量算符（维度 dU）的热夸克衰变，对未定域子相互作用的宇宙学约束。研究推导出在 1.1 ≤ dU ≤ 2.0 且 2 ≤ dBZ ≤ 4 的条件下，相互作用尺度 MU > ~20–2600 TeV 的下限，并表明当 MU 接近其下限时，未定域子产生会将辐射主导时期的温度限制至低至 ~1 TeV。

ABSTRACT

We study the cosmological constraints on unparticle interactions and the temperature of the Universe for an unparticle sector with dimensional transmutation scale ΛU> ∼ 1 TeV. By considering thermal background quark decay to unparticles via a scalar operator of dimension dU, we show that the condition that the Universe is not dominated by unparticles at nucleosynthesis imposes a lower bound on the scale of the interaction of the unparticle sector, with MU> ∼ 20 − 2600 TeV for 1.1 ≤ dU ≤ 2.0 and 2 ≤ dBZ ≤ 4. The existence of an unparticle sector also imposes an upper bound on the temperature of the Universe during radiation-domination, which can be as low as a TeV for MU close to its lower bound. 1

研究动机与目标

• 评估未定域子扇区对早期宇宙宇宙学的影响，特别是在大爆炸核合成期间的影响。
• 确定未定域子是否可能在辐射主导时代占据能量密度主导地位，这将与观测到的轻元素丰度相冲突。
• 基于核合成约束，推导未定域子扇区相互作用尺度 MU 的限制。
• 探讨未定域子产生对辐射主导时期温度的上限限制。

提出的方法

• 通过标量算符（维度 dU）使热夸克衰变产生未定域子，建模未定域子的产生过程。
• 使用包含标量算符耦合夸克与未定域子的有效拉格朗日量，其相互作用强度由尺度 MU 决定。
• 在高温热平衡条件下，计算来自夸克衰变的未定域子产生率。
• 应用未定域子在核合成期间不得主导能量密度的条件，推导 MU 的下限。
• 通过要求未定域子产生不会使宇宙闭合，推导辐射主导温度的上限。
• 将未定域子扇区的维度（dU）和衰变中的自由度数（dBZ）作为分析中的关键参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于 ΛU > ~1 TeV 且 dU ∈ [1.1, 2.0] 的未定域子扇区，核合成对相互作用尺度 MU 施加了何种下限？
• RQ2 未定域子的存在如何影响辐射主导时期可能达到的最高温度？
• RQ3 宇宙学约束对未定域子维度 dU 和衰变自由度数 dBZ 的依赖关系如何？
• RQ4 通过夸克衰变产生的未定域子是否可能在核合成期间导致能量密度主导？在何种条件下会发生？
• RQ5 当 MU 处于其宇宙学允许的最小值时，辐射主导温度的上限是多少？

主要发现

• 推导出未定域子相互作用尺度的下限为 MU > ~20–2600 TeV，具体取决于未定域子维度 dU 和衰变自由度数 dBZ。
• 随着 dU 从 1.1 增加到 2.0，MU 的下限变得更严格（更高），表明 dU 越大，约束越紧。
• 当 MU 接近其下限时，由于未定域子过度产生，宇宙的辐射主导温度被限制在不超过 ~1 TeV。
• 随着 MU 接近其下限，温度上限降低，表明未定域子效应在较低能量尺度下即变得显著。
• 结果在 2 ≤ dBZ ≤ 4 和 1.1 ≤ dU ≤ 2.0 范围内具有鲁棒性，覆盖了广泛的未定域子现象学。
• 研究表明，仅当其相互作用尺度 MU 足够大时，ΛU > ~1 TeV 的未定域子扇区才在宇宙学上可行，从而可避免能量密度主导。