[论文解读] Two-Brane Models and BBN

H. Ziaeepour|ArXiv.org|Oct 17, 2000

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文研究了翘曲额外维引力中的两brane模型，表明即使在低密度下，由于物质压强的影响，可见brane上的宇宙学演化也会偏离标准FLRW动力学。通过微调隐藏brane上的状态方程，该模型可使宇宙学演化与观测结果解耦，并在引入额外的惰性中微子后，使原初⁴He丰度与观测结果一致，从而缓解了与高重子密度CMB数据之间的矛盾。

ABSTRACT

We obtain a class of solutions for the AdS$_5$ two-brane models by imposing the observed value of cosmological constant and Newton coupling constant on the visible brane. When all terms up to the first order of matter density are included, the cosmological evolution on the observable brane depends on the equation of state of the matter and consequently when the pressure exists, the cosmology of these models deviates from FLRW cosmology. We show that it is possible to choose the matter equation of state on the hidden brane to neutralize its contribution on the cosmological evolution of the visible brane. We compare the prediction of these models for primordial {\it $^4$He} yield with observations. In standard BBN with $n_ν^{light} = 3$ this brane model is ruled out. If in addition to 3 SM neutrinos there is one light sterile neutrino, this model reconciles the observed {\it $^4$He} yield with a high $Ω_b \sim 0.033 h^{-2}$ suggested by BOOMERANG and MAXIMA experiments.

研究动机与目标

• 研究在可见brane上观测到的宇宙学常数和牛顿常数条件下，两brane AdS₅模型中的宇宙学演化。
• 确定可见brane上物质压强如何影响brane-world情景中对标准FLRW宇宙学的偏离。
• 探讨隐藏brane的状态方程是否可被调节以解耦其对可见brane动力学的影响。
• 将该模型对原初⁴He丰度的预测与观测约束进行对比，特别是针对BOOMERANG和MAXIMA获得的高重子密度CMB数据。
• 评估该模型是否能解决标准BBN预测与高Ωb下观测到的⁴He丰度之间的张力。

提出的方法

• 求解带有体宇宙学常数和局域brane张力的五维爱因斯坦方程，包括两brane上的物质贡献。
• 将可见brane上观测到的宇宙学常数和牛顿常数作为边界条件施加。
• 将哈勃参数演化展开至物质密度的一阶项，揭示其对状态方程的依赖性。
• 推导出可见brane上的有效哈勃演化：H² ∝ α_hot ρ_hot (1+z)⁴，其中α_hot取决于状态方程。
• 使用弱相互作用冻结温度的修正形式：T_F ∝ α^(-1/6) × 0.8 MeV，从而改变中子与质子的比例。
• 将该模型预测的⁴He丰度与观测数据进行比较，变化轻中微子数量（n_ν^light = 3 或 4）。

实验结果

研究问题

• RQ1 可见brane上物质的状态方程如何影响两brane模型中的宇宙学演化？
• RQ2 是否可调节隐藏brane的状态方程以解耦其对可见brane宇宙学的影响？
• RQ3 该类两brane模型中预测的原初⁴He丰度是多少？与观测结果相比如何？
• RQ4 该模型能否调和CMB实验测得的高重子密度（Ωb ∼ 0.033h⁻²）与低观测⁴He丰度之间的矛盾？
• RQ5 引入惰性中微子是否能解决该模型中标准BBN与观测之间的差异？

主要发现

• 即使在低物质密度下，由于压强依赖性，可见brane上的宇宙学演化仍偏离FLRW，表现为H² ∝ α_hot ρ_hot (1+z)⁴。
• 当α ≈ 2/3（μL ≫ 1 且 ρ₀ ≈ ρ_L 时），冻结温度下的中子与质子比例降至约12.5%，低于FLRW中的14.3%。
• 当n_ν^light = 3时，该模型预测的⁴He丰度过低，无法与观测匹配，因此排除了标准粒子内容的可能。
• 当n_ν^light = 4（例如包含一个惰性中微子）时，该模型的⁴He丰度与观测结果兼容，尤其在高重子密度（Ωb ∼ 0.033h⁻²）下表现更佳。
• 该模型在不引入初始轻子不对称性的情况下，即可调和CMB推导出的η值与观测到的⁴He丰度，与标准BBN不同。
• 在该类解中，观测到的宇宙学常数的微小值与翘曲因子之间存在关联。