[论文解读] Vacuum energy in Quantum Field Theory and Cosmology

Adrià Gómez-Valent|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用 11

一句话总结

本论文研究了量子场论与宇宙学中的真空能量，重点关注运行真空模型（RVMs）及其宇宙学意义。利用包括超新星（SNIa）、宇宙微波背景（CMB）、重子声学振荡（BAO）和大尺度结构（LSS）在内的观测数据，该研究将RVMs与$Λ$CDM和XCDM模型进行对比，发现RVMs对数据的拟合效果更优，尤其是在包含高红移$H(z)$和$f(z)\sigma_8(z)$测量时，表明动态真空能量与当前宇宙学观测一致。

ABSTRACT

In this thesis we present detailed analyses on various running vacuum models (RVM's), in which the vacuum energy density "runs" with the cosmic expansion. The RVM's are motivated from the renormalization group formalism of Quantum Field Theory in curved spacetime. In this theoretical framework, the vacuum energy density depends explicitly on the Hubble function and its time derivative and thus does not remain constant, in contradistinction to the standard $Λ$CDM picture. Upon studying how these models fit the data, we can determine whether this dynamical behavior is favored by observations or not. Is the vacuum energy density (or more generically, the DE density) dynamical? One of the main conclusions of this dissertation is that we have indeed strong evidences in favor of the variability of the DE density throughout the cosmic history. It is shown that this variation can also be traced through other (purely phenomenological) dynamical vacuum models, together with different parametrizations of the DE (as the XCDM and CPL), and scalar field models as the Peebles-Ratra one. The statistical confidence level of these evidences reaches in some cases the 3-4$σ$ c.l., something that is unprecedented in the literature. An exhaustive explanation of the reasons why large collaborations as BOSS, Planck and DES have not been able to detect such signal in favor of the DE dynamics is provided in this thesis too.

研究动机与目标

• 探究运行真空模型（RVMs）作为标准$Λ$CDM模型替代方案的宇宙学可行性。
• 评估量子场论中真空能量的作用及其对宇宙加速的含义。
• 利用超新星、CMB各向异性、BAO和大尺度结构等观测数据测试RVMs。
• 将RVMs与其他暗能量参数化形式（如XCDM和CPL）的预测能力进行比较。
• 在数据集变化（如移除BAO、LSS或CMB数据）条件下，检验结果的稳健性。

提出的方法

• 采用贝叶斯统计框架，将RVMs、$\phi$CDM、XCDM和CPL模型拟合至SNIa、CMB、BAO和LSS的综合数据集。
• 利用WiggleZ等巡天获得的$f(z)\sigma_8(z)$增长率数据，约束结构形成的演化过程。
• 应用来自宇宙时钟的$H(z)$数据，检验不同模型中哈勃参数的演化。
• 通过参数空间（如$(\Omega_m, \alpha)$和$(\Omega_m, \omega)$）中的$\Delta\chi^2$和置信水平（CL）等高线进行模型比较。
• 通过移除部分数据集（如BAO、LSS、CMB）进行稳健性检验，以评估模型稳定性。
• 利用不同拟合公式计算退耦时期声速的共动尺度$rs$，以检验对$rs$计算方法的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 运行真空模型（RVMs）是否能比标准$Λ$CDM模型提供对宇宙学数据更优的拟合？
• RQ2 RVMs中真空能量演化的约束与XCDM和CPL参数化形式相比如何？
• RQ3 移除关键数据集（如BAO、LSS、CMB）对推断参数和模型选择有何影响？
• RQ4 RVMs在不同红移下对观测到的$f(z)\sigma_8(z)$增长率数据的拟合程度如何？
• RQ5 声速尺度$rs$的计算方法对最终模型约束有何显著影响？

主要发现

• RVMs在完整数据集（S1–S7）上的拟合效果优于$Λ$CDM，表现出更低的$\chi^2$值和更强的贝叶斯证据。
• 最佳拟合的RVM参数为$\Omega_m \approx 0.30$和$\alpha \approx 0.002$，表明真空能量密度缓慢演化。
• $f(z)\sigma_8(z)$数据强烈排斥$Λ$CDM模型，与RVMs和$\phi$CDM模型相比，$\Delta\chi^2 > 10$，在某些情况下尤为显著。
• 当排除BAO或LSS数据时，参数约束（尤其是$\Omega_m$）发生显著偏移，表明对数据集敏感。
• XCDM模型中$\omega \approx -0.95$能提供良好拟合，但在完整数据分析中仍不如RVMs受青睐。
• 稳健性测试表明，即使在移除CMB或LSS数据后，RVM的偏好依然稳定，但$H_0$张力问题仍未解决。