[论文解读] Cosmology of the Mirror Universe

Paolo Ciarcelluti|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用 11

一句话总结

本篇哲学博士论文提出了一种宇宙学模型，其中存在一个镜像领域——由与普通物质具有相同量子数的镜像粒子组成——与我们的宇宙并存，形成一个对称的隐秘领域。作者利用线性微扰理论和玻尔兹曼方程，分析了镜像宇宙中的结构形成、宇宙微波背景各向异性和原初核合成，表明镜像重子可自然地解释暗物质，同时与氦丰度和宇宙微波背景功率谱的观测约束保持一致。

ABSTRACT

We describe the implications on the structure formation, the cosmic microwave background (CMB) and the large scale structure (LSS) for a Universe in which a significant part of dark matter is made of mirror baryons. Being the microphysics of the mirror baryons identical to the one of the usual baryons, we need only two extra thermodynamical parameters to describe our model: the temperature of the mirror plasma (limited by the BBN) and the amount of mirror baryonic matter. We extend the Jeans theory in order to study the structure formation mechanism in linear regime. Using a numerical code, we compute the temporal evolution of perturbations, the CMB anisotropies and the LSS power spectra. We show as the decoupling time and the dissipative Silk scale of the mirror baryons (both being different than for the ordinary ones) are key features for the evolution of a Mirror Universe, and induces specific signatures on the power spectra. We analyse the dependence of both CMB and LSS spectra on the mirror sector temperature and on the amount of mirror baryons. Confronting with the present observational data, we show that for x < 0.3 the dark matter could be constituted entirely by mirror baryons, since in this case mirror baryons at linear scales behave essentially like cold dark matter (CDM) and substantial deviations are expected only at smaller scales which have undergone non-linear growth from relatively large redshifts. In the case of x > 0.3 the pattern of the LSS power spectrum excludes the possibility of dark matter consisting entirely of mirror baryons, but they could present as admixture to the conventional CDM.

研究动机与目标

• 开发一个自洽的宇宙学模型，其中存在一个镜像领域——由与普通物质具有相同量子数的镜像粒子组成——与我们的宇宙并存。
• 通过分析其形成、演化和观测特征，研究镜像重子是否可作为可行的暗物质候选者。
• 研究普通领域与镜像领域中的热力学和重子生成机制，特别是通过粒子交换过程。
• 计算镜像领域的原初氦丰度，并与大爆炸核合成的观测限制进行比较。
• 推导镜像宇宙模型中宇宙微波背景（CMB）功率谱和大尺度结构（LSS）的预测。

提出的方法

• 采用基于镜像对称性的对称宇宙学框架，其中每个普通粒子都有一个具有相同量子数的镜像对应粒子。
• 在牛顿和相对论区域应用线性微扰理论，研究普通物质和镜像物质中密度涨落的增长。
• 对两个领域中的光子、中微子和重子使用玻尔兹曼方程，以模拟温度和密度涨落的演化。
• 计算镜像领域的金斯质量、金斯长度和哈勃质量的演化，以评估引力坍缩和结构形成的起始。
• 分析镜像电浆中的碰撞阻尼和耗散效应，以确定小尺度功率的抑制。
• 利用标准宇宙学微扰理论推导镜像宇宙的CMB功率谱和LSS转移函数，其修正源于镜像领域的动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 镜像重子是否能自然形成观测到的暗物质组分，而无需引入标准模型之外的新粒子？
• RQ2 镜像宇宙的热力学演化与普通宇宙相比如何，特别是在辐射主导和物质主导时期？
• RQ3 镜像领域的原初氦丰度预测值是多少，是否与大爆炸核合成的观测界限一致？
• RQ4 镜像宇宙中的CMB各向异性功率谱与观测结果相比如何，能否与标准ΛCDM模型区分开来？
• RQ5 镜像领域的结构形成条件是什么，镜像金斯尺度和哈勃质量如何随时间演化？

主要发现

• 如果镜像领域是对称的且重子-光子比适当调节，镜像重子可形成稳定、冷的暗物质组分，其密度与观测到的暗物质密度一致。
• 镜像宇宙中的原初氦丰度预测约为 Yₘ ≈ 0.47，与大爆炸核合成对氦-4丰度的观测限制一致。
• 镜像宇宙中的CMB功率谱表现出与标准模型相似的特征峰结构，但由于早期宇宙中缺乏镜像光子-重子耦合，其振幅有所减小。
• 镜像领域的结构形成通过引力不稳定性进行，金斯质量在辐射主导期间增加，并在物质-辐射相等之后坍缩成束缚结构。
• 镜像宇宙中的哈勃质量演化与普通宇宙类似，结构形成的起始发生在红移 z ≈ 1000–2000 左右，具体取决于镜像重子密度。
• 如碰撞阻尼等耗散效应会抑制镜像CMB和LSS中的小尺度功率，导致在低于镜像金斯尺度的波长上出现功率谱截止。