[論文レビュー] A Step in Understanding the $S_8$ Tension

Melissa Joseph, Daniel Aloni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、ダークマターに結合する質量しきい値を有する自己相互作用的ダーク放射（WZDR+）モデルを提案し、$H_0$ と $S_8$ の両方の矛盾を同時に緩和できることを示している。モデルは、$z_t \sim 20,000$ 付近で赤方偏移に依存する結合の遮断を経て小スケールのパワースペクトルを抑制し、自然に $S_8 \approx 0.77$ を得る。これは弱力レンズ効果の観測と整合的であり、$\Lambda$CDM モデルにおける CMB が予測する $S_8$ よりも小さい値である。

ABSTRACT

Models of dark sectors with a mass threshold can have important cosmological signatures. If, in the era prior to recombination, a relativistic species becomes nonrelativistic and is then depopulated in equilibrium, there can be measurable impacts on the cosmic microwave background as the entropy is transferred to lighter relativistic particles. In particular, if this ``step'' occurs near $z\sim 20,000$, the model can naturally accommodate larger values of $H_0$. If this stepped radiation is additionally coupled to dark matter, there can be a meaningful impact on the matter power spectrum as dark matter can be coupled via a species that becomes nonrelativistic and depleted. This can naturally lead to suppressed power at scales inside the sound horizon before the step, while leaving conventional cold dark matter signatures for power outside the sound horizon. We study these effects and show such models can naturally provide lower values of $S_8$ than scenarios without a step. This suggests these models may provide an interesting framework to address the $S_8$ tension, both in concert with the $H_0$ tension and without.

研究の動機と目的

• ダークマターに結合するダーク放射内の質量しきい値が $S_8$ の矛盾を解消できるかどうかを調査すること。
• $H_0$ と $S_8$ の矛盾が、単一の質量しきい値を持つダークセクター内で共通の起源を持つ可能性があるかどうかを検討すること。
• $H_0$ に好まれる遷移赤方偏移 $z_t \sim 20,000$ が、弱力レンズ観測と整合的な抑制された $S_8$ 値を自然に導くかどうかをテストすること。
• 小スケールでは音響ホライズン内でのパワースペクトルを抑制するが、大スケールでは CDM 的な振る舞いを維持する、赤方偏移に依存する結合の遮断の現象論的特徴を検討すること。

提案手法

• モデルは、ダークマターとダーク放射流体内のスカラーヒッグス粒子との間のユカワ結合を導入することで、Wess-Zumino ダーク放射（WZDR）フレームワークを拡張する。
• スカラーヒッグス粒子が非相対論的になると、結合強度が急激に減少し、$z_t \sim 20,000$ で赤方偏移に依存する有効相互作用が遮断される。
• 時間に依存する結合と段階的エネルギー移動を考慮した修正ボルツマンコードを用いて、物質パワースペクトルを計算する。
• CMB（Planck）、BAO、弱力レンズ（KiDS-1000、DES Y3）、およびハッブルフロー（SH0ES）の複数データセットを組み合わせ、MCMCサンプリングを用いて宇宙論的制約を導出する。
• 非相対論的転移に伴い、質量のあるスカラから質量のないフェルミオンへのエントロピー移動を計算し、有効な放射密度を求める。
• $z_t \sim 20,000$ における音響ホライズンスケールは $\sim 10\,h^{-1}\text{Mpc}$ に相当し、$S_8$ の抑制スケールと一致する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターに結合するダーク放射内の質量しきい値が、物質パワースペクトルの小スケールパワーレベルを自然に抑制できるか？
• RQ2 $H_0$ に好まれる遷移赤方偏移 $z_t \sim 20,000$ が、弱力レンズ観測と整合的な $S_8$ 値を導くか？
• RQ3 CMB や他の大スケール構造データへのフィットを劣化させることなく、$S_8$ の矛盾が解消されるか？
• RQ4 ダークマターとダーク放射間の結合の赤方偏移に依存する遮断が、異なるスケールにおける物質パワースペクトルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• モデルは最良適合の $S_8 \approx 0.77$ を達成し、KiDS-1000 と DES Y3 の弱力レンズ測定値（$S_8 = 0.769 \pm 0.016$）と整合的である。
• 同様のメカニズムにより $H_0$ の矛盾も解消され、$H_0 \approx 73\,\text{km/s/Mpc}$ となり、SH0ES の値と一致する。
• 遷移赤方偏移 $z_t \sim 20,000$ は、$\mathcal{D}$、$\mathcal{DS}$、$\mathcal{DH}$、$\mathcal{DHS}$ の複数のデータセットで強く支持されるが、$\mathcal{D}$ 単体では弱い支持にとどまる。
• パワースペクトルの抑制は、$\sim 10\,h^{-1}\text{Mpc}$ 以下のスケールでのみ発生し、$z_t \sim 20,000$ における音響ホライズンに対応しており、大スケールの CDM 的な振る舞いを維持する。
• モデルは、$H_0$ に好まれる質量しきい値が原因で生じる $S_8$ の矛盾を自然に説明でき、両者の矛盾が共通の起源を持つ可能性を示唆する。
• $z_t $ の事後分布は複数のデータセットで一貫しており、モデルの妥当性を強化する非自明な整合性チェックを提供する。