[论文解读] Tracking Dark Energy from Axion-Gauge Field Couplings

Stephon Alexander, Robert Brandenberger+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 23被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种追踪暗能量模型，其中一种赝标量轴子场通过与非阿贝尔规范场的庞特里亚金密度耦合，在低于普朗克能量尺度的场值下，由于磁螺旋度引起的次级增长，实现了慢滚演化。轴子的能量密度最初追踪辐射主导时期，但随后增长，当初始能量密度被调节至较小的重子-熵比时，可与观测结果一致地产生晚期暗能量贡献。

ABSTRACT

We propose a toy model of Dark Energy in which the degrees of freedom currently dominating the energy density of the universe are described by a pseudo-scalar "axion field" linearly coupled to the Pontryagin density, $ ext{tr}(F \wedge F)$, i.e., the exterior derivative of the Chern-Simons form, of a gauge field. We assume that the axion has self-interactions corresponding to an exponential potential. We argue that a non-vanishing magnetic helicity of the gauge field leads to slow-rolling of the axion at field values far below the Planck scale. Our proposal suggests a "Tracking Dark Energy Scenario" in which the contribution of the axion energy density to the total energy density is constant (and small), during the early radiation phase, until a secular growth term proportional to the Pontryagin density of the gauge field becomes dominant. The initially small contribution of the axion field to the total energy density is related to the observed small baryon-to-entropy ratio.

研究动机与目标

• 提出一种通过轴子场与规范场庞特里亚金密度耦合实现暗能量生成的机制。
• 解释为何亚普朗克场值下的轴子场可借助磁螺旋度效应维持慢滚动力学。
• 证明轴子能量密度可最初追踪辐射主导背景，并随后增长以在晚期主导。
• 将轴子的初始能量密度与观测到的较小重子-熵比联系起来，确保晚期暗能量主导。

提出的方法

• 构建一个作用量泛函，其中赝标量轴子场 φ 线性耦合于非阿贝尔规范场 Aμ 的庞特里亚金密度 tr(F ∧ F)。
• 为轴子引入指数势 V(φ) 以描述自相互作用并实现慢滚动力学。
• 推导在轴子-庞特里亚金耦合存在下规范场的运动方程，显示电场分量出现次级增长。
• 分析轴子场能量密度演化 Ωφ(t)，表明其在辐射主导时期保持恒定，并在规范场质量变得显著后随尺度因子线性增长。
• 利用小轻子-熵比作为约束条件，调节初始轴子能量密度，确保 Ωφ 在接近当前时刻时趋近于 1。
• 论证轴子通过假设与电磁学无直接相互作用，避免了光偏振旋转的约束，从而规避了光子耦合的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过与规范场庞特里亚金密度耦合，使轴子场在亚普朗克场值下实现慢滚动力学？
• RQ2 轴子场的相应能量密度是否能追踪辐射主导背景，并随时间持续增长，最终在晚期成为主导？
• RQ3 轴子场的初始小能量密度能否自然地与观测到的小重子-熵比联系起来？
• RQ4 规范场的磁螺旋度在驱动轴子能量密度次级增长中起什么作用？
• RQ5 该模型如何在保持暗能量可行性的同时，规避轴子与光子耦合的天体物理和宇宙学限制？

主要发现

• 由于与非阿贝尔规范场庞特里亚金密度的耦合，轴子场在亚普朗克场值下实现了慢滚演化，使其能够作为暗能量。
• 轴子场能量密度 Ωφ 在早期辐射主导时期保持恒定，追踪背景能量密度。
• 在规范场质量变得显著后，Ωφ 随尺度因子线性增长，直至物质-辐射相等，此后增长停止，直至次级项主导。
• 由庞特里亚金耦合驱动的次级增长项最终导致 Ωφ 再次上升，并在晚期趋近于 1。
• 只要初始轴子能量密度由小轻子-熵比确定，该模型仅需对无量纲耦合常数进行轻微调节，即可实现观测到的暗能量密度。
• 轴子通过假设与电磁学无直接相互作用，避免了光子耦合的约束，从而规避了光偏振旋转的限制。