[论文解读] Dark Energy from Large Extra Dimensions

Kimmo Kainulainen, Daniel Sunhede|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出了一种标量-张量引力模型，其中来自大额外维度的径向场在我们的4维宇宙中产生类似第五元素的暗能量，通过量子修正对4维里奇标量的稳定化实现。该模型预测的宇宙学行为类似于k-本质或鬼魅暗能量，可通过即将发布的SNAP数据与具有相等暗能量的宇宙常数模型区分开来，但无法与暗能量约减少5%的模型区分。

ABSTRACT

We explore in detail a dilatonic scalar-tensor theory of gravity inspired by large extra dimensions, where a radion field from compact extra dimensions gives rise to quintessence in our 4-dimensional world. We show that the model can give rise to other types of cosmologies as well, some more akin to $k$-essence and possibly variants of phantom dark energy. In our model the field (or radius) stabilization arises from quantum corrections to the effective 4D Ricci scalar. We then show that various constraints nearly determine the model parameters, and give an example of a quintessence-type cosmology consistent with observations. We show that the upcoming SNAP-experiment would easily distinguish the present model from a constant $\Lambda$ model with an \emph{equal} amount of dark energy, but that the SNAP-data alone will not be able distinguish it from a $\Lambda$ model with about 5% less dark energy.

研究动机与目标

• 探索受大额外维度启发的标量-张量引力理论。
• 研究紧化额外维度产生的径向场如何在4维时空中产生暗能量。
• 检查量子修正是否能稳定径向场并导致可行的宇宙学模型。
• 评估模型参数的观测约束，并评估其与标准ΛCDM模型的可区分性。

提出的方法

• 构建一个4维有效理论，其中径向标量场源于大额外维度的紧化。
• 引入对4维里奇标量的量子修正，以稳定径向场并诱导势能。
• 推导标量-张量理论的有效作用量和运动方程，以分析宇宙学动力学。
• 分析所得的宇宙学行为，包括第五元素、k-本质类似和鬼魅类似行为。
• 应用观测约束以确定模型的可行参数空间。
• 评估未来SNAP观测对区分该模型与具有相等或略微减少暗能量的ΛCDM模型的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自大额外维度的径向场是否能自然地在4维时空中产生动力学暗能量组分？
• RQ2 对4维里奇标量的量子修正如何稳定径向场并影响有效势能？
• RQ3 该模型允许哪些类型的宇宙学演化（例如，第五元素、k-本质、鬼魅）？
• RQ4 当前观测数据在多大程度上能约束该模型？
• RQ5 即将到来的SNAP数据能否将该模型与具有相等暗能量或约5%更少暗能量的ΛCDM模型区分开来？

主要发现

• 该模型通过大额外维度情景中径向场的动力学，生成了类似第五元素的暗能量组分。
• 径向场的稳定化在有效理论中自然地源于对4维里奇标量的量子修正。
• 通过参数选择，该模型可产生类似于k-本质或鬼魅暗能量的宇宙学行为。
• 当前的观测约束几乎完全固定了模型参数，表明其具有强大的预测能力。
• SNAP将能轻松区分该模型与具有相等暗能量含量的ΛCDM模型。
• 然而，仅靠SNAP数据无法将该模型与具有约5%更少暗能量的ΛCDM模型区分开来。