[论文解读] Multi-feature universe: large parameter space cosmology and the swampland

Deng Wang|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本文通过利用当前宇宙学数据分析一个12参数的相互作用暗能量模型，研究了景观猜想在宇宙学中的影响。采用逐模型比较的方法，得出了迄今为止最严格的景观常数 $c$ 上限，对于暗能量模型，$c \lesssim 1.94$（99.7%置信水平），对于凹势的Dirac-Born-Infeld（DBI）暴胀模型，$c \lesssim 0.58$（99.7%置信水平），表明与景观猜想存在适度张力。

ABSTRACT

Under the belief that the universe should be multi-feature and informative, we employ a model-by-model comparison method to explore the possibly largest upper bound on the swampland constant $c$. Considering the interacting quintessence dark energy as the comparison model, we constrain the large parameter space interacting dark energy model, a 12-parameter extension to the $Λ$CDM cosmology, in light of current observations. We obtain the largest $2σ$ ($3σ$) bound so far, $c\lesssim1.62$ $(1.94)$, which would allow the existences of a number of string theory models of dark energy such as 11-dimensional supergravity with double-exponential potential, $O(16) imes O(16)$ heterotic string and some Type II string compactifications. For inflationary models with concave potential, we find the $2σ$ ($3σ$) bound $c\lesssim0.13$ $(0.14)$, which is still in strong tension with the string-based expectation $c \sim \mathcal{O}(1)$. However, combining Planck primordial non-Gaussianity with inflation constraints, it is interesting that the Dirac-Born-Infeld inflation with concave potential gives the $2σ$ ($3σ$) bound $c\lesssim0.53$ $(0.58)$, which is now in a modest tension with the swampland conjecture. Using the Bayesian evidence as the model selection tool, it is very surprising that our 18-parameter multi-feature cosmology is extremely strongly favored over the $Λ$CDM model.

研究动机与目标

• 利用当前宇宙学观测确定景观常数 $c$ 的最大可能上界。
• 在大参数空间宇宙学模型的背景下，检验景观猜想的可行性。
• 探索在景观框架下，受弦理论启发的暗能量模型和暴胀情景是否与观测约束相容。
• 研究多特征宇宙学模型与普朗克-2018数据的一致性，特别是原初谱幂和透镜化幅度方面。
• 在高维参数空间背景下，解决‘氦元素难题’——即原初氦丰度 $Y_{\text{He}}$ 的约束中出现的意外退化现象。

提出的方法

• 采用逐模型比较方法，以相互作用的标量场暗能量模型作为比较基准，扩展标准 $\Lambda$CDM 模型至12个参数。
• 分析使用了 TLLBP 数据集（用于暗能量）和 TLLBK 数据集（用于暴胀），涵盖 CMB、BAO、Ia 型超新星和弱引力透镜数据。
• 应用景观猜想的第二条标准 $M_p |V'|/V > c \sim \mathcal{O}(1)$，通过似然分析和马尔可夫链蒙特卡洛采样方法约束 $c$。
• 通过每个模型后验分布的 $2\sigma$ 和 $3\sigma$ 可信区间推导出 $c$ 的约束。
• 将普朗克-2018 原初非高斯性数据纳入分析，以细化具有凹势的 Dirac-Born-Infeld（DBI）暴胀模型中 $c$ 的约束。
• 在多特征模型中检验原初谱幂的标度不变性（$n_s=1$）和透镜化幅度 $A_L$ 是否与理论预测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 与当前宇宙学数据一致的景观常数 $c$ 的最大可能上界是什么？
• RQ2 受弦理论启发的暗能量模型（如11维超引力或 $O(16)\times O(16)$ 异色弦）在景观猜想下是否可行？
• RQ3 在具有凹势的 DBI 暴胀模型中，引入原初非高斯性数据如何影响 $c$ 的约束？
• RQ4 具有12个参数的多特征宇宙学模型在多大程度上能重现标准预测，如 $n_s=1$ 和 $A_L=1$？
• RQ5 为何当前分析中原初氦丰度 $Y_{\text{He}}$ 未受约束？这反映了何种参数退化现象？

主要发现

• 对于相互作用暗能量模型，景观常数 $c$ 的 3σ 上限为 $c \lesssim 1.94$，这是迄今为止最严格的约束。
• 该上界允许多种弦理论暗能量模型的可行性，包括具有双指数势的11维 M-理论和 $O(16)\times O(16)$ 异色弦紧化模型。
• 对于具有凹势的暴胀模型，3σ 上限为 $c \lesssim 0.14$，与先前结果一致，且与弦理论预期的 $c \sim \mathcal{O}(1)$ 存在强烈张力。
• 当将普朗克原初非高斯性数据与暴胀约束结合时，DBI 暴胀模型的 3σ 上限为 $c \lesssim 0.58$，表明与景观猜想仅有适度张力。
• 在大参数空间 LPSIDE 模型中，原初谱幂的标度不变性（$n_s = 1$）在小于 2σ 置信水平内得到良好满足。
• 在 LPSIDE 和 LPSCPL 模型中，透镜化幅度缩放参数 $A_L$ 均在约 1σ 置信水平内与理论预测 $A_L = 1$ 一致。