[论文解读] WMAP, Planck, cosmic rays and unconventional cosmologies

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文提出，非标准宇宙学——特别是前大爆炸场景和超光速子物质——可能在WMAP和普朗克CMB数据以及超高能宇宙射线谱中留下可探测的痕迹。通过使用具有SU(2)对称性的旋量时空几何，该研究从几何原理出发推导出类似哈勃的膨胀，而无需依赖标准物质，从而为宇宙学常数问题提供自然解法，并提出暗物质和早期宇宙动力学的替代机制。

ABSTRACT

The claim by Gurzadyan et al. that the cosmological sky is a weakly random one where "the random perturbation is a minor component of mostly regular signal" has given rise to a series of useful exchanges. The possibility that the Cosmic Microwave Background radiation (CMB) data present trends in this direction would have strong implications for unconventional cosmologies. Similarly, data on ultra-high energy cosmic rays may contain signatures from new Physics generated beyond the Planck scale. It therefore seems legitimate, from a phenomenological point of view, to consider pre-Big Bang cosmologies as well as patterns where standard particles would not be the ultimate constituents of matter and the presently admitted principles of Physics would not necessarily be the fundamental ones. We discuss here prospects for some noncyclic, nonstandard cosmologies.

研究动机与目标

• 研究是否在普朗克尺度以上的非循环、非标准宇宙学可在CMB和超高能宇宙射线数据中留下可观测的痕迹。
• 探讨基于SU(2)对称性的旋量时空几何在宇宙学和粒子物理学中的现象学意义。
• 检验CMB各向异性的观测弱随机性是否可能反映前大爆炸物理的主导规则信号。
• 评估超光速子（超光速前身子）作为物质组分的可行性，其可能解释暗物质和高能宇宙射线。
• 提出一种几何框架，可自然产生类似哈勃的膨胀，并可能在不依赖标准暴胀的前提下解决宇宙学常数问题。

提出的方法

• 采用基于两个复旋量而非实洛伦兹四向量的旋量时空形式，将宇宙时间定义为|ξ|。
• 将空间超曲面定义为在|ξ| = t₀处的S³流形，通过在旋量球面上的SU(2)变换实现空间平移。
• 仅从几何原理出发推导出相对速度与距离之间的类似哈勃关系，无需引入物质、相对论或引力。
• 引入超高能粒子的二次变形色散关系：E ≈ pc + m²c³/(2p) − pcα(pc/Eₐ)²/2，其中过渡能量Eₜᵣₐₙₛ ∝ (Eₐm)¹ᐟ²。
• 提出超光速子（具有cₛ ≫ c的临界速度）可形成宇宙海，发射切伦科夫辐射，并衰变为高能粒子。
• 建议在普朗克尺度以下距离处局域性可能失效，其中Δξ = ξ − ξ₀在非局域、旋量框架中表示物理分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 前大爆炸物理的痕迹是否可在WMAP和普朗克CMB数据中探测到，特别是以非随机、规则结构的形式？
• RQ2 基于SU(2)变换的旋量时空几何是否能自然重现类似哈勃的膨胀，而无需标准宇宙学假设？
• RQ3 超光速子物质是否可解释自旋1/2粒子的起源，并为宇宙学常数问题提供动力学解法？
• RQ4 超高能宇宙射线是否携带了超越普朗克尺度的物理痕迹，例如来自色散关系变形或超光速子衰变的痕迹？
• RQ5 是否存在一个基本能量尺度Eₐ > Eₚₗₐₙcₖ，在此尺度以上标准相对论运动学将失效，且可通过宇宙射线或CMB观测探测到？

主要发现

• 旋量时空几何可仅从几何原理出发，在宇宙尺度上自然导出速度与距离之间的类似哈勃关系，而无需假设物质、相对论或引力。
• 对于α = 1的质子，过渡能量Eₜᵣₐₙₛ ≈ 5 × 10¹⁹ eV出现在Eₐ ≈ 2.8 × 10²¹ GeV处，超过普朗克能量的200倍，表明可能存在新物理的标度。
• 对能量为10²⁰ eV的质子进行类似分析，可得Eₐ ≈ 10³ × Eₚₗₐₙcₖ，表明超高能宇宙射线可能探测到超越普朗克尺度的物理。
• 具有cₛ ≫ c的超光速子可通过非局域因果性自然生成半整数自旋，并以标准粒子形式发射切伦科夫辐射，直至达到c。
• 超光速子真空可能仅在存在常规物质时动态生成标准量子场论过程，从而可能解决宇宙学常数问题。
• 该模型表明，观测到的CMB各向异性可能并非主要为随机，而是由前大爆炸物理的规则信号主导，其在普朗克和WMAP数据中具有可探测的特征。