[论文解读] Quintessential Inflation, Unified Dark Energy and Dark Matter, and Higgs Mechanism

Eduardo Guendelman, Emil Nissimov+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种统一的引力-物质模型，利用非黎曼时空体积形式来描述早期宇宙暴胀以及晚期暗能量/暗物质，仅通过一个标量场（'darkon'）和一个暴胀子场实现。该形式体系生成了动态诱导的宇宙学常数和类尘埃暗物质，同时在晚期宇宙中实现引力辅助的电弱对称性自发破缺，且在暴胀期间希格斯场保持无质量。

ABSTRACT

We describe a new type of gravity-matter models where gravity couples in a non-conventional way to two distinct scalar fields providing a unified Lagrangian action principle description of: (a) the evolution of both "early" and "late" Universe - by the "inflaton" scalar field; (b) dark energy and dark matter as a unified manifestation of a single material entity - the "darkon" scalar field. The essential non-standard feature of our models is employing the formalism of non-Riemannian space-time volume forms - alternative generally covariant integration measure densities (volume elements) defined in terms of auxiliary antisymmetric tensor gauge fields. Although being (almost) pure-gauge degrees of freedom, the non-Riemannian space-time volume forms trigger a series of important features unavailable in ordinary gravity-matter models. When including in addition interactions with the electro-weak model bosonic sector we obtain a gravity-assisted generation of electro-weak spontaneous gauge symmetry breaking in the post-inflationary "late" Universe, while the Higgs-like scalar remains massless in the "early" Universe.

研究动机与目标

• 通过非黎曼引力-物质作用量，统一暗能量与暗物质作为单一标量场（'darkon'）的两种表现形式。
• 在单一动力学框架下，利用统一的暴胀子场描述早期宇宙暴胀与晚期暗能量主导。
• 在暴胀后时代动态生成电弱对称性破缺，同时在暴胀期间保持规范对称性。
• 探讨辅助反称张量场在修改时空积分测度及诱导引力与物质耦合中新型物理效应的作用。

提出的方法

• 利用辅助秩-3反称张量场 Cμνλ 定义非黎曼时空体积形式 Φ(C)，以修改引力积分测度。
• 构建一个修正的引力-标量作用量，其中标量场拉格朗日量对称地耦合于黎曼时空 √−g 和非黎曼时空 Φ(C) 体积形式。
• 从测度场 Cμνλ 的运动方程推导出动力学约束 L(u,Y) = −2M₀ = const，从而产生恒定能量密度贡献。
• 引入第二个标量场（暴胀子）耦合至相同的非黎曼结构，以生成具有两个无限平坦区域的有效势能，实现早期与晚期宇宙的统一宇宙学。
• 将系统耦合至 SU(2)×U(1) 电弱规范场，使晚期宇宙中出现希格斯样势能，同时在暴胀期间保持希格斯场无质量。
• 利用与非黎曼体积形式相关的隐藏诺特定对称性，稳定动力学并确保能量-动量张量的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过非黎曼引力-物质作用量，将暗能量与暗物质统一为单一标量场的两种表现形式？
• RQ2 同一标量场系统能否同时描述早期宇宙的暴胀与晚期宇宙的暗能量主导？
• RQ3 非黎曼体积形式的引入如何导致动态生成的宇宙学常数与类尘埃暗物质？
• RQ4 引力诱导的对称性破缺能否在晚期宇宙中生成电弱希格斯势能，同时在暴胀期间保持希格斯场无质量？
• RQ5 辅助反称张量场在实现引力与物质耦合中新型物理效应方面发挥何种作用？

主要发现

• 非黎曼体积形式 Φ(C) 导致动力学约束 L(u,Y) = −2M₀ = const，该约束生成一个恒定能量密度项，可解释为动态生成的宇宙学常数。
• darkon 场的能量-动量张量分为两部分：一个类宇宙学常数项 −2gμνM₀ 和一个与 ∂μu∂νu 成比例的类尘埃流体项，从而统一了暗能量与暗物质。
• 由于非黎曼测度的存在，该模型表现出隐藏的非线性诺特定对称性，确保能量-动量张量守恒并稳定动力学行为。
• 暴胀子场获得一个具有两个无限平坦区域的有效势能——一个对应早期暴胀，另一个对应晚期暗能量——从而实现原初暴胀。
• 在晚期宇宙中，希格斯样标量场发展出规范的电弱对称性破缺形式的有效势能，同时在暴胀期间保持无质量。
• 两个平坦区域之间势垒的相对高度与晚期有效宇宙学常数处于同一数量级，暗示暴胀与暗能量之间存在自然联系。