[论文解读] Evading Equivalence Principle Violations, Astrophysical and Cosmological Constraints in Scalar Field Theories with a Strong Coupling to Matter

David F. Mota, Douglas J. Shaw|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2006

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用 22

一句话总结

该论文提出，尽管标量场与物质的强耦合会违反等效原理，但通过非线性自相互作用，这些标量场仍可与地球、天体物理和宇宙学约束保持一致。这些轻质、强耦合的标量场可能驱动宇宙的早期和晚期加速，并可在未来实验中被探测到。

ABSTRACT

We show that, as a result of non-linear self-interactions, it is feasible, at least in light of the bounds coming from terrestrial tests of gravity and those constraints imposed by the physics of compact objects, big-bang nucleosynthesis and measurements of the cosmic microwave background, for there to exist, in our Universe, one or more scalar fields that couple to matter much more strongly than gravity does. Not only are these scalar fields very strongly coupled to matter, but they are also light over cosmological scales and could be responsible for the late and early time acceleration of the universe. These fields could also be detected by a number of future experiments provided they are properly designed to do so. These results open up an altogether new window, which might lead to a completely different view of the role played by light scalar fields in particle physics and cosmology.

研究动机与目标

• 研究与物质具有强耦合的标量场是否仍能与当前实验和宇宙学约束保持一致。
• 探讨此类标量场在解释宇宙早期和晚期加速方面的可行性。
• 评估通过未来实验探测这些场的可能性。
• 考察非线性自相互作用在屏蔽理论观测限制中的作用。
• 重新评估轻质标量场在强物质耦合下对宇宙学和粒子物理学的潜在意义。

提出的方法

• 分析具有非线性自相互作用的标量场理论，以抑制其对广义相对论可观测偏离。
• 应用来自地球重力实验、原初核合成和宇宙微波背景测量的约束。
• 评估标量场在致密天体环境中的行为，以评估等效原理的破坏。
• 利用宇宙学模型评估这些场在驱动早期和晚期宇宙加速中的作用。
• 通过针对强标量耦合敏感的未来实验设计，评估其可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与物质具有强耦合的标量场能否规避地球重力实验的约束？
• RQ2 非线性自相互作用如何防止等效原理的可观测破坏？
• RQ3 此类强耦合标量场在宇宙早期和晚期加速中可能扮演何种宇宙学角色？
• RQ4 是否存在满足核合成和CMB观测的可行参数区域？
• RQ5 未来哪些实验设计可能探测到这些标量场？

主要发现

• 非线性自相互作用使得强物质耦合的标量场仍能与地球重力实验保持一致。
• 这些标量场可在宇宙学尺度上保持轻质，从而可对宇宙加速产生贡献。
• 这些场可能同时驱动宇宙的早期和晚期加速，提供统一机制。
• 原初核合成和宇宙微波背景的约束并未排除此类标量场的存在。
• 若设计得当，未来实验可能探测到这些标量场。
• 研究结果为理解轻质标量场在粒子物理和宇宙学中的作用开辟了新途径。