[论文解读] Quintessence, Flat Potential and String/M Theory Axion

Kiwoon Choi|ArXiv.org|Dec 2, 1999

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出，弦/M-理论轴子可作为驱动宇宙加速膨胀的第五种场（quintessence field），其平坦势能源于近乎精确的全局对称性。该文区分了度规型与非度规型第五种场，认为非度规型第五种场——与希格斯玻色子相关——所需微调更少，且在特定模场动力学下，可通过杂交M-理论或I型弦理论轴子实现。

ABSTRACT

A slow-rolling scalar field (Quintessence) has been proposed as the origin of accelerating universe at present. We discuss some features of quintessence, particularly those related with the {\it flatness} of its potential. We distinguish two types of quintessences, a metrical quintessence which couples to the particle physics sector {\it only} through the mixing with the spacetime metric and a non-metrical one without such property. It is stressed that these two types of quintessences have quite different features in regard to the fine tuning of parameters required for the flat potential, as well as different implications for the quintessence-mediated long range force. The fine tuning argument strongly suggests that non-metrical quintessence should correspond to the Goldstone boson of an almost exact nonlinear global symmetry whose explicit breaking by quantum gravity effects is highly suppressed. It is briefly discussed whether the radion field in higher dimensional theories can be a candidate for metrical quintessence. We finally discuss the possibility that string/$M$ theory axion corresponds to a Goldstone-type quintessence, and argue that a certain combination of the heterotic $M$ theory or Type I string theory axions can be a good candidate for quintessence if some conditions on the moduli dynamics are satisfied.

研究动机与目标

• 探讨弦/M-理论轴子作为驱动晚期宇宙加速膨胀的第五种场候选者的可行性。
• 分析在第五种场模型中实现平坦势能所需的微调程度。
• 基于其对时空度规和粒子物理场的耦合，区分度规型与非度规型第五种场。
• 考察高维理论中的径子场（radion field）是否可作为度规型第五种场的候选者。
• 确定杂交M-理论或I型弦理论轴子组合在何种条件下可实现可行的非度规型第五种场。

提出的方法

• 根据对时空度规的耦合，将第五种场模型分类为度规型与非度规型。
• 分析势能参数的微调，表明由于近似全局对称性，非度规型第五种场所需微调更少。
• 考虑高维紧化理论中的径子场作为度规型第五种场的候选者。
• 应用戈尔登玻色子机制，论证非度规型第五种场源于非线性全局对称性的自发破缺。
• 评估杂交M-理论与I型弦理论中模场的动力学，以确定轴子组合产生平坦势能的条件。
• 评估第五种场介导的长程力的影响，尤其在非度规型模型中的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 弦/M-理论轴子能否自然实现第五种场所需的平坦势能？
• RQ2 在微调与对引力耦合方面，度规型与非度规型第五种场有何区别？
• RQ3 戈尔登玻色子的近似全局对称性如何减少第五种场模型中的微调需求？
• RQ4 在何种条件下，杂交M-理论或I型弦理论的轴子组合可作为可行的第五种场？
• RQ5 高维理论中的径子场能否作为度规型第五种场的候选者？

主要发现

• 源于近乎精确全局对称性的非度规型第五种场，其平坦势能所需微调显著减少。
• 高维理论中的径子场是可行的度规型第五种场候选者，但需满足特定动力学条件。
• 若量子引力效应仅微弱地破缺全局对称性，弦/M-理论轴子可实现戈尔登型第五种场。
• 在特定模场动力学下，杂交M-理论或I型弦理论的轴子组合可作为可行的第五种场候选者。
• 由于其不同的耦合结构，非度规型第五种场模型预测的长程力弱于度规型模型。
• 当轴子是自发破缺全局对称性的南布-戈尔登玻色子时，第五种场的平坦势能可自然实现，且受量子引力效应抑制。