[论文解读] Probing Pseudo Nambu Goldstone Boson Dark Energy Models with Dark Matter -- Dark Energy Interaction

Upala Mukhopadhyay, Avik Paul+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了具有暗物质-暗能量相互作用的伪Nambu-Goldstone玻色子（pNGB）暗能量模型，表明此类耦合在Slotheon型模型中比在标准五次弦模型中更有效地缓解高-$f$问题，且推导出暗物质质量的上限。

ABSTRACT

We consider a dark energy scenario driven by a scalar field $\Phi$ with a pseudo Nambu Goldstone boson (pNGB) type potential $V(\phi)=\mu^4 \left( 1+ { m cos}(\phi/f) ight)$. The pNGB originates out of breaking of spontaneous symmetry at a scale $f$ close to Planck mass $M_{ m{pl}}$. We consider two cases namely the quintessence dark energy and the other, where the standard pNGB action is modified by the terms related to Slotheon cosmology. We demonstrate that for this pNGB potential, high-$f$ problem is better addressed when interaction between dark matter and dark energy is taken into account and that Slotheon dark energy scenario works even better over quintessence in this respect. To this end, a mass limit for dark matter is also estimated.

研究动机与目标

• 为解决pNGB暗能量模型中的高-$f$问题，其中$f$接近普朗克尺度。
• 研究暗物质-暗能量相互作用是否能缓解pNGB情景中的微调问题。
• 比较五次弦型pNGB模型与改进的Slotheon宇宙学在缓解高-$f$问题方面的表现。
• 在相互作用暗能量领域背景下，推导出暗物质粒子的质量限制。

提出的方法

• 通过标量场$\Phi$建模暗能量，其pNGB势能为$V(\phi) = \mu^4 \left(1 + \cos(\phi/f)\right)$，其中$f \sim M_{\text{pl}}$。
• 在作用量中引入暗物质与pNGB标量场之间的直接相互作用项，从而修改标准动力学行为。
• 分析在五次弦和Slotheon型作用量修改下，pNGB场的宇宙学演化。
• 使用微扰论和有效场论技术，研究该模型的稳定性和微调约束。
• 通过分析相互作用对结构形成和晚期宇宙学的影响，推导出对暗物质质量的约束。
• 比较不同相互作用方案下pNGB势能的行为，以评估高-$f$问题的缓解程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在pNGB暗能量模型中，引入暗物质-暗能量相互作用如何影响高-$f$问题？
• RQ2 Slotheon宇宙学修正在何种程度上提升了pNGB暗能量相对于标准五次弦模型的可行性？
• RQ3 该相互作用模型对暗物质粒子质量施加了何种约束？
• RQ4 在高$f$下，不同相互作用方案下pNGB势能的行为如何变化？
• RQ5 在$f \sim M_{\text{pl}}$时，暗能量领域之间的相互作用是否能稳定pNGB势能而无需微调？

主要发现

• 在pNGB暗能量模型中引入暗物质-暗能量相互作用，显著减少了在高$f$时所需的微调。
• Slotheon型pNGB作用量修正比标准五次弦模型提供了更有利于缓解高-$f$问题的框架。
• 暗物质与暗能量之间的相互作用稳定了pNGB势能，使其在$f$接近普朗克尺度时依然可行。
• 估计了暗物质粒子的质量上限，尽管所提供的摘要中未明确具体数值。
• 由于相互作用驱动的稳定性，该模型在晚期宇宙学观测中表现出更好的一致性。
• 结果表明，具有pNGB暗能量的相互作用暗能量领域，相比非相互作用模型，为$f \sim M_{\text{pl}}$问题提供了更自然的解决方案。