[论文解读] Solution to the Isotropy Problem for Cosmological Hidden Vector Models

José A. R. Cembranos, Antonio L. Maroto+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用 2

一句话总结

本文通过证明在一般条件下，快速振荡矢量场的平均能量-动量张量对任何局部惯性观察者均趋于各向同性，解决了宇宙学隐矢量模型中的各向同性问题。各向同性定理表明，尽管具有内在各向异性的相干矢量场，仍可作为暗物质、暗能量或暴胀动力学的可行候选者。

ABSTRACT

Gauge bosons associated to new gauge symmetries under which the standard model particles are not charged are predicted in many extensions of the standard model of particles and interactions. We show that under very general conditions, the average energy-momentum tensor of these rapidly oscillating vector fields is isotropic for any locally inertial observer. This result has a fundamental importance in order to consider coherent vector fields as a viable alternative to support models of dark matter, dark energy or inflation.

研究动机与目标

• 解决宇宙学矢量场模型中的基本各向同性问题，否则将与CMB各向异性约束冲突。
• 研究相干矢量场是否可作为标量场在暗物质、暗能量或暴胀情景中的可行替代方案。
• 确立矢量场动力学在存在内在各向异性的情况下产生各向同性有效能量-动量张量的一般条件。
• 将先前针对阿贝尔型、线性极化矢量模态的结果扩展至包含任意极化和势能形式的更广矢量场类。
• 为在宇宙学模型中使用质量较大、快速振荡的矢量场提供理论基础，且不违反观测各向同性约束。

提出的方法

• 分析罗伯逊-沃尔克时空中均匀、相干矢量场的能量-动量张量。
• 应用各向同性定理，表明快速振荡使能量-动量张量中的方向依赖性平均化。
• 考虑振荡周期远短于哈勃时标的时间尺度的有界、高频矢量场演化。
• 将结果推广至阿贝尔型和线性极化情况之外，涵盖任意极化态和势能形式。
• 使用有效场论技术，在局部惯性系中计算平均能量-动量张量。
• 证明在指定的快速振荡区域内，各向同性条件 ⟨Tμν⟩ ∝ gμν 普遍成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具有内在各向异性，快速振荡的矢量场是否能产生各向同性的有效能量-动量张量？
• RQ2 在何种条件下，相干矢量场的平均能量-动量张量在宇宙学时空中趋于各向同性？
• RQ3 隐矢量场——尤其是具有质量、相干的矢量场——是否可作为暗物质、暗能量或暴胀的可行候选者？
• RQ4 各向同性结果是否依赖于矢量场的阿贝尔性质或极化状态？
• RQ5 快速振荡如何抑制矢量场有效应力-能量中的各向异性贡献？

主要发现

• 对于任何局部惯性观察者，快速振荡矢量场的平均能量-动量张量均呈各向同性，无论极化形式或势能形式如何。
• 该各向同性结果在非常一般条件下成立：相对于哈勃时标，振荡为有界且高频。
• 各向同性定理适用于阿贝尔型与非阿贝尔型矢量场，扩展了先前仅限于线性极化模态的研究结果。
• 在罗伯逊-沃尔克几何中，质量超过哈勃参数的矢量场满足所需的快速振荡条件。
• 此类场的有效状态方程平均趋近于 w = 1/3，与辐射行为一致。
• 该结果消除了将相干矢量场用作宇宙学组分的主要障碍，使其可被用于暗物质、暗能量和暴胀模型。