ホログラフ宇宙論・膜宇宙論コミュのブレーンワールド

ブレーンワールド（膜宇宙、braneworld）またはブレーン宇宙論（brane cosmology）とは、『我々の認識している4次元時空（空間3次元+時間）の宇宙は、さらに高次元の時空（バルク、bulk）に埋め込まれた膜（ブレーン、brane）のような時空なのではないか』と考える宇宙モデルである。低エネルギーでは（我々自身を含む）素粒子の標準模型相互作用が4次元世界面（ブレーン）上に閉じ込められ、重力だけが余剰次元 (extra dimension, 5次元目以降の次元) 方向に伝播できる、とする。

ブレーンワールドの概念は、もともと素粒子論、場の理論(field theory)に基づいて提唱され、研究されてきたが、その後、超弦理論(superstring theory)に応用されてD-ブレーン(超弦の端点が載ブレーン)などの概念が確立し、さらに発展した(B2008のノート参照)。特に、1998−2000年にアントニアディス・アルカニハメド・ディモポーロス・ドヴァリらの大きな余剰次元(large extra dimension)の模型、ランドール・サンドラムのワープした(歪んだ)余剰次元(warped extra dimension)の模型、ドヴァリ・ガバダジェ・ポラッティのブレーン誘導重力(brane induced gravity)に基づく模型などが提唱されて以降、その理論的、現象論的側面からの研究、宇宙論的側面を明らかにする研究などが活発に行われるようになった。近年精力的に研究が進められている宇宙モデルの1つである。

このような研究の動機のひとつは、超弦理論やM理論における高次元空間での整合的な理論構築である。時空の次元を増やす理論は、カルツァ＝クライン理論をはじめとして古くからあるが、余剰次元は小さく丸まっていて通常の低エネルギーの観測手段では見えないとするコンパクティフィケーション(compactification)の考えに基づいていた。これに対し、ブレーン仮説では、余剰次元は小さくはないが、低エネルギーの物質や電磁場はブレーン上にのみ存在でき、重力だけは余剰次元にも存在しうると考える。ブレーン仮説を考えると、物理学における基本的な4つの力（相互作用）のうち、重力だけが極端に弱いという階層性問題を「重力だけがバルク中も作用するから」として説明できる可能性がある。空間の埋め込みの数学的研究は19世紀に遡り、物理的なブレーンワールドは、1980年代頃から研究され、発展してきたが、上述のように、1998年頃階層性問題への適用が再認識され、加速器、宇宙等での観測の可能性が指摘されて、一躍注目を集めるようになった。

以降、これらの概念を応用して、宇宙の初期特異点の解決を試みるモデル・ビッグバンの起源を複数のブレーンの衝突で説明するモデル（エキピロティック宇宙論）・宇宙のインフレーションをブレーンの運動で捉えるモデル・宇宙のダークエネルギー問題の解決を試みるモデルなど、宇宙論のさまざまな分野でアイデアが提出され研究されている。また、一般相対性理論を高次元空間で考える研究も進展し、例えば時空が高次元であるならば、陽子ビームを衝突させるLHC加速器でミニ・ブラックホールが生成される可能性も指摘され、近い将来実験検証が開始される予定である。ブレーン宇宙モデルでは、一般に余剰次元の効果の現れるエネルギースケールが4次元理論（プランクスケール）や従来の高次元宇宙模型（カルツァ・クライン理論）に比べてずっと小さくなり得るため、初期宇宙にブレーンのサイズが余剰次元のサイズと同程度の時期があれば、将来的にその痕跡が宇宙マイクロ波背景放射の揺らぎなどから観測されると期待されている。

『ウィキペディア（Wikipedia）』