[论文解读] The SUGRA Quintessence Model Coupled to the MSSM

Philippe Brax, Jérôme Martin|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 16被引用 15

一句话总结

本文研究了一种与最小超对称标准模型（MSSM）耦合的超引力（SUGRA）类宇宙学模型，表明隐藏-sector中的超对称性自发破缺会修改类宇宙学场势能，诱导出一个最小值，使该场在宇宙早期即趋于稳定。结果，背景演化与微扰动力学均与宇宙学常数无异，尽管该模型在理论上有吸引力，但其观测可区分性被削弱。

ABSTRACT

We study the cosmological evolution of the universe when quintessence is modeled within supergravity, supersymmetry is broken in a hidden sector, and we also include observable matter in a third independent sector. We find that the presence of hidden sector supersymmetry breaking leads to modifications of the quintessence potential. We focus on the coupling of the SUGRA quintessence model to the MSSM and investigate two possibilities. First one can preserve the form of the SUGRA potential provided the hidden sector dynamics is tuned. The currently available limits on the violations of the equivalence principle imply a universal bound on the vacuum expectation value of the quintessence field now, κ^{1/2}Q\ll 1. On the other hand, the hidden sector fields may be stabilised leading to a minimum of the quintessence potential where the quintessence field acquires a mass of the order of the gravitino mass, large enough to circumvent possible gravitational problems. However, the cosmological evolution of the quintessence field is affected by the presence of the minimum of the potential. The quintessence field settles down at the bottom of the potential very early in the history of the universe. Both at the background and the perturbation levels, the subsequent effect of the quintessence field is undistinguishable from a pure cosmological constant

研究动机与目标

• 探讨一种与MSSM耦合且在隐藏sector中存在超对称性破缺的SUGRA类宇宙学模型的宇宙学含义。
• 评估由此产生的类宇宙学势能是否能在满足局部引力测试的同时，对初始条件保持吸引子行为。
• 确定该模型能否提供一个与粒子物理和宇宙学观测均相容的可行暗能量情景。

提出的方法

• 该研究采用受SUGRA启发的类宇宙学势能，引入指数型超引力修正，以场依赖的前因子和反幂律行为进行参数化。
• 将类宇宙学场与MSSM及一个通过引力中介实现超对称性破缺的隐藏sector耦合。
• 引入弱等效原理和第五种力实验的约束，以限制类宇宙学场的真空期望值。
• 分析类宇宙学场的背景演化与线性微扰，求解在时变背景中具有修正有效质量的场方程。
• 分析中使用贝塞尔函数描述微扰的演化，特别是在 gravitino 质量远大于哈勃参数的区域。
• 将所得动力学与纯宇宙学常数进行比较，评估在背景与微扰层面的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与MSSM耦合的SUGRA类宇宙学模型能否在满足局部引力约束的同时，对初始条件保持可行的吸引子解？
• RQ2 隐藏-sector中的超对称性破缺如何修改类宇宙学势能，并影响其宇宙学演化？
• RQ3 在此设定下，类宇宙学场的微扰在多大程度上偏离纯宇宙学常数情景？
• RQ4 类宇宙学势能最小值的稳定化对场的晚期动力学及观测特征有何影响？
• RQ5 该模型能否在不精细调节类宇宙学标度的前提下，仍实现观测到的暗能量密度？

主要发现

• 隐藏-sector中的超对称性破缺导致类宇宙学势能发生修改，形成一个最小值，使场在宇宙历史早期即迅速稳定于势能底部。
• 一旦类宇宙学场达到最小值，其后续的宇宙学演化在背景与微扰层面均与纯宇宙学常数无异。
• 由于解中贝塞尔函数的渐近行为，场的微扰随时间衰减，无增长模式，表明类宇宙学场不会引起显著的结构形成效应。
• 该模型预测类宇宙学场的真空期望值必须满足 κ¹/²Q ≪ 1，以避免与局部引力测试冲突，从而对场的当前值施加了严格约束。
• 若要保持原始SUGRA势能形式，则需对隐藏sector的动力学进行精细调节，这与第五种力和等效原理破坏的观测约束相冲突。
• 除非在小场值区域Kähler势能不规则，否则该模型的可行性将受损——这表明未来模型需引入无标度（no-scale）或类似结构。