[论文解读] Remarks on M Theoretic Cosmology

Tom Banks|ArXiv.org|Jun 16, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 21被引用 16

一句话总结

本文提出一种M理论宇宙学模型，其中暴胀由来自短距离动力学的势能的体模（bulk moduli）驱动，而超对称性（SUSY）破缺模则产生晚期能量密度。该模型预测了一个自然的暗物质候选者（例如，具有统一尺度衰变常数的QCD轴子），通过普朗克尺度与统一尺度之比解释物质-辐射相等和CMB涨落，并要求在TeV尺度存在可重整化的重子数破坏，从而排除了LSP作为暗物质的可能性。

ABSTRACT

I present cosmological arguments which point towards a Horava-Witten like picture of the universe, with the unification scale of order the fundamental gravitational scale. The SUSY breaking scale is determined by the dynamics of gauge fields which are weakly coupled at the fundamental scale. Bulk moduli whose potential originates at short distances are the inflatons, while bulk moduli whose potential originates from SUSY breaking are the origin of the energy density in the present era. The latter decay just before nucleosynthesis, and a consistent theory of baryogenesis requires that there be renormalizable baryon number violating interactions at the TeV scale. The dark matter is a boundary modulus, perhaps the QCD axion, and the temperature of matter radiation equality is related to the ratio between the fundamental and effective four dimensional Planck scales. The same ratio determines the amplitude of fluctuations in the microwave background.

研究动机与目标

• 将模作为暴胀子与保持8个超荷的M理论紧化相协调，解决暴胀尺度与统一尺度之间的张力。
• 通过SUSY破缺体模解释当前暗能量密度和物质-辐射相等的起源。
• 通过模在核合成前刚好衰变来解决宇宙学模问题，同时生成重子不对称性。
• 在势能被抑制的边界模中识别出可行的暗物质候选者，可能为QCD轴子。
• 从基本尺度比值出发，推导CMB涨落幅度和重加热温度的定量预测。

提出的方法

• 使用保持8个超荷的M理论紧化，推广Horava-Witten情景，以包含受离散R对称性保护的真实模空间。
• 将暴胀子场识别为体模，其超势系数约为 $1/N_e$，以实现 $N_e$ 个e-折叠的暴胀。
• 建立暴胀后体模相干振荡产生的能量密度模型，导致重加热温度高于核合成温度。
• 要求在低能有效场论中存在可重整化的重子数破坏相互作用，以在模衰变期间生成重子不对称性。
• 提出势能被抑制的边界模作为暗物质，其衰变常数接近统一尺度。
• 依赖于四维普朗克尺度与统一尺度之比，以确定CMB涨落幅度和物质-辐射相等温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保持8个超荷的M理论紧化中，体模如何作为暴胀子，而不破坏暴胀尺度与统一尺度之间的层次？
• RQ2 何种机制能通过基本尺度比值解释观测到的物质-辐射相等温度？
• RQ3 如何通过SUSY破缺模的衰变生成重子不对称性？这对低能有效场论施加了何种约束？
• RQ4 为何在此情景中LSP被排除为暗物质？何种替代候选者浮现？
• RQ5 QCD轴子或类似边界模能否作为具有接近统一尺度衰变常数的可行暗物质候选者？

主要发现

• 原初密度涨落的振幅预测为 $10^{-5}$ 量级，自然地由统一尺度与四维普朗克尺度之比解释。
• 模衰变后的重加热温度估计略高于核合成阈值，与大爆炸核合成一致。
• 物质-辐射相等发生在由同一尺度比值决定的温度，其值高一个数量级，但考虑到近似方法仍属合理。
• 该情景要求在TeV尺度存在可重整化的重子数破坏相互作用，以在模衰变期间生成重子不对称性。
• LSP被排除为暗物质；取而代之，势能被抑制的边界模——可能为QCD轴子——提供了自然的暗物质候选者。
• 由于其高衰变常数接近统一尺度，该暗物质候选者无法被当前轴子探测实验探测到。