CSTB反弹宇宙（Coupled Scalar Tachyon Bounce Cosmos）模型的构造、系统分析以及实验探测

【摘要】宇宙的起源和早期演化是人类文明肇始以来不断探寻的重要课题,也是人类文明发展的一个原始和持久的推动力。近年来,大量天文观测数据和高能粒子数据及相关的涌现使得当今成为宇宙学研究的黄金时代。在标准宇宙学模型中,人们引入了宇宙加速膨胀–暴胀(Inflation)–的新概念来解决宇宙大爆炸理论存在的“视界问题(HorizonProblem)”和“平坦性问题(FlatnessProblem)”.通过量子涨落机制产生了与天文观测相符的标度不变原初扰动功率谱,奠定了暴胀的物理基础。然而,暴胀模型仍然未解决宇宙大爆炸的原初奇点问题(InitialSingularityProblem)以及参数精细调节问题(Fine-tuningProblem).因此,人们仍在迫切地寻找可以改进或替代暴胀宇宙学标准模型的新模型。在这篇博士论文中,为了解决暴胀宇宙学标准模型存在的问题和困难,我们提出了全新的基于超弦唯象理论而建立的标量场与快子场耦合的反弹宇宙模型(CoupledScalarTachyonBounceCosmos),简称CSTB反弹宇宙模型。在CSTB反弹宇宙模型中,由于运用了标量场和快子场的耦合项以及闭合Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker(FLRW)时空的正曲率项,宇宙可以实现光滑的反弹,从而避免了宇宙大爆炸初始奇点问题。同时,CSTB反弹宇宙模型的背景演化是与初始条件无关的动力学吸引子解,因此也避免了参数精细调节问题。相比于其它的反弹宇宙模型,例如Quintom反弹宇宙模型和鬼场凝聚(GhostCondensation)反弹宇宙模型,CSTB反弹宇宙模型在整个反弹过程中,满足了类光、弱和主导能量条件(Null,Weak,andDominantEnergyConditions),宇宙在其整个演化过程中不会产生任何非物理的场(GhostField).我们进一步具体地研究了CSTB反弹宇宙模型的原初扰动功率谱并和宇宙观测数据进行比较。通过精确计算CSTB反弹宇宙模型的原初扰动功率谱的谱指数,我们发现这个模型可以产生稳定的和标度不变的原始曲率扰动功率谱,这一结果和宇宙微波背景辐射(CosmicMicrowaveBackgroundRadiation(CMBR))目前的观测结果相符。通过对各类暴胀宇宙模型和反弹/循环宇宙模型,特别是CSTB反弹宇宙模型和慢滚暴胀宇宙模型进行更系统的分析,我们提出了一个统一的参数空间(V,m)。这个参数空间包括两个维度：一个是推广的宇宙扰动方程红移-蓝移项的系数m,而V则是宇宙背景演化尺度因子的幂指数因子。在这个统一的参数空间中,我们可以系统地分析各类暴胀宇宙模型、反弹或循环宇宙模型所产生的原初扰动功率谱的性质。我们发现有两组稳定的和标度不变的功率谱解存在：其中一组是在暴胀宇宙模型的加速膨胀过程中产生的,而另外一组则是在反弹/循环宇宙模型的加速收缩过程中产生的。这两组稳定的标度不变的功率谱解存在着一类完整的对偶性使它们一一对应起来。有趣的是CSTB反弹宇宙模型正好通过这个完整的对偶变换被对应到经典的慢滚暴胀宇宙模型–即在标量场驱动的指数膨胀的时空中产生的扰动功率谱与在耦合快子场凝聚物质驱动的物质收缩时空中产生扰动功率谱近似简并。由于不存在参数精细调节问题,因此,相对于慢滚暴胀宇宙模型,CSTB反弹宇宙模型功率谱的标度不变性更加稳定。在本论文的最后部分,我们提出了对反弹,循环宇宙模型框架的直接实验检验的方法：通过测量暗物质粒子质量与散射截面关系,科学家可以判断出宇宙的早期演化是否经历过反弹的过程。通过具体计算暗物质在反弹前的塌缩期和反弹后的膨胀期中的产生过程,我们发现在反弹/循环宇宙模型框架下,存在一类全新的暗物质产生和“冻结(freeze-out)”机制。在这个机制当中,由于极小的散射截面和较大的质量,暗物质在塌缩相和膨胀相中并没有被充分地产生,令其实际丰度远低于热平衡态容许的丰度。随后,暗物质经历了一个微弱的冻结过程,使得“暗物质残留丰度(CosmicRelicAbundance)”中包含的宇宙早期演化的信息得以保留到今天。我们详细计算了暗物质在这个新机制下整个的产生和冻结过程,并预言了这个新机制下的暗物质散射截面与质量的关系：散射截面与质量的二次方成反比,且暗物质粒子质量大于432电子伏特。如果暗物质探测实验(如中国的锦屏山深地实验室)在将来探测出暗物质粒子的质量与散射截面的关系,那么这个新的暗物质产生-冻结机制以及相应的暗物质散射截面与质量的关系将成为宇宙早期演化是否经历反弹过程的一个重要的直接判据.
【作者】李昌鸿；
【导师】张若筠；
【作者基本信息】南京大学，理论物理，2014，博士
【关键词】早期宇宙学；暴胀宇宙模型；耦合快子场；CSTB反弹宇宙模型；暗物质；弦宇宙学；

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