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中国科学：物理学、力学、天文学 2023年第9期53卷 186-192页

作者：陈华桂川大志邱涛涛华中师范大学天体物理研究所武汉430079 华中科技大学物理学院武汉430074

变色龙场是标量张量理论中的一种标量场,用以解释晚期宇宙的加速膨胀现象.与一般标量场不同的是,它与物质场的耦合使其有效质量如同变色龙一般随着周围环境(物质场能量动量张量的迹)的改变而改变.这一独特的变色龙机制使得变色龙场论在... 详细信息

变色龙场是标量张量理论中的一种标量场,用以解释晚期宇宙的加速膨胀现象.与一般标量场不同的是,它与物质场的耦合使其有效质量如同变色龙一般随着周围环境(物质场能量动量张量的迹)的改变而改变.这一独特的变色龙机制使得变色龙场论在众多研究领域具有广泛应用.本文简要回顾变色龙场论,依次探讨它在早期宇宙、引力波观测、暗能量和暗物质统一方案以及光子-光子散射实验等方面的最新进展.

关键词：引力理论场论变色龙机制

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F（R）引力中的变色龙暗物质研究

F（R）引力中的变色龙暗物质研究

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作者：陈华华中师范大学

学位级别：硕士

暗物质和暗能量是当前粒子物理和宇宙学领域的两大疑难,尽管有许多观测证实了它们的存在,人们对它们的本质仍然知之甚少。宇宙学标准模型(ACDM)是目前最成功也是最简单的解释暗物质和暗能量的模型。然而,ACDM模型也存在一些问题。在唯... 详细信息

暗物质和暗能量是当前粒子物理和宇宙学领域的两大疑难,尽管有许多观测证实了它们的存在,人们对它们的本质仍然知之甚少。宇宙学标准模型(ACDM)是目前最成功也是最简单的解释暗物质和暗能量的模型。然而,ACDM模型也存在一些问题。在唯象层面,尽管它在大尺度上的预言与观测符合得很好,但是在小尺度上却预言了过多的暗物质;而在理论层面,它也有面临着两大困难,一是宇宙学常数的精调问题,二是暗物质与暗能量之间的巧合问题。因此,有必要寻找其他可能的方案。在宇宙学领域,人们广泛地研究了修改引力理论作为广义相对论的拓展,并提出了众多成功的模型。修改引力通过修改爱因斯坦作用量引入了额外的标量场自由度,作为推动晚期(乃至早期)宇宙加速膨胀的动力学场。引力的修改手段有很多,其中F(R)引力是较简单的一种,它在天体物理和宇宙学唯象上都有很成功的应用,特别是暗能量和暴胀。尽管如此,修改引力理论却少有应用到暗物质问题上。暗物质模型的提出大多是基于超越粒子物理标准模型,例如轴子及其变体就是广为接受的暗物质候选者之一。但是由于暗物质和暗能量之间的巧合问题,我们有理由相信,它们之间可能存在相互作用,甚至它们可能有着共同的起源。因此,或许可以将已有的修改引力暗能量模型应用到暗物质问题中。近几年,有研究提出了F(R)引力所引入的额外标量场不仅可以充当暗能量还可以作为暗物质粒子的方案。这一构想的关键在于这个标量场具有变色龙机制,即标量场的质量会随着周围普通物质密度的增大而增大,因此在低密的宇宙学尺度上,它可以充当暗能量,而在高密的星系尺度,它则表现为暗物质。因此,为了区别于粒子物理中的一般标量场,我们称F(R)引力中的标量场为标量子。而当标量子应用到暗物质问题中时,也称为变色龙暗物质。这两种称呼在本文中会时常混用,但它们都指代同一个标量场。本文基于上述方案,研究变色龙暗物质在早期宇宙的演化,讨论它跟原初核子的耦合,以此通过早期宇宙中精确的原初核合成(BBN)对其进行限制,检验该方案的有效性。由于F(R)引力中的暗能量模型普遍遭遇标量曲率的奇点问题,我们发现对模型作高阶修正,即增加αR2项,可以解决这一问题。通过考察修正后的模型,我们发现标量子在早期宇宙的动力学是由αR2项和变色龙机制主导的,也就是说标量子物理不依赖于具体的低能暗能量模型。我们还发现了标量子在早期宇宙的演化方式呈反弹振荡的图像,它与驱动晚期宇宙加速膨胀的低能修正无关。我们进一步研究了标量子在BBN时期的演化,由此发现了 BBN对标量子质量的一般性束缚。这个约束来源于对αR2项的耦合强度α的限制,而且比第五力实验得出的限制严格得多。我们表明标量子在BBN时期可以自然地发展成足够小的涨落,因而避免了基于PLANCK 2018数据的BBN的限制。我们的结果不仅确认了变色龙暗物质方案的有效性,还指出标量子对BBN高度敏感,因此将来更精确的BBN数据(轻元素丰度和重子数密度分数)可以有效地限制变色龙暗物质方案。

关键词： F(R)引力变色龙机制暗物质暗能量

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