[論文レビュー] Cold New Early Dark Energy pulls the trigger on the $H_0$ and $S_8$ tensions: a simultaneous solution to both tensions without new ingredients

Juan S. Cruz, Florian Niedermann+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、冷たい NEDE（Cold NEDE）でごく小さなトリガーフィールド寄与のダークマターを持つ場合、追加の成分を導入することなく H0 および S8 の張り合いを同時に緩和できることを示し、NEDE の好ましい分数を約 0.134、H0 を約 71.7 km/s/Mpc、S8 を約 0.793 としている。

ABSTRACT

In this work, we show that the Cold New Early Dark Energy (Cold NEDE) model in its original form can solve both the Hubble tension and the $S_8$ tension without adding any new ingredients at the fundamental level. So far, it was assumed that the trigger field in the Cold NEDE model is completely subdominant. However, relaxing this assumption and letting the trigger field contribute a mere $0.5\%$ of the total energy density leads to a resolution of the $S_8$ tension while simultaneously improving it as a solution to the $H_0$ tension. Fitting this model to baryonic acoustic oscillations, large-scale-structure, supernovae (including a SH0ES prior), and cosmic microwave background data, we report a preferred NEDE fraction of $f_\mathrm{NEDE}= 0.134^{+0.032}_{-0.025}$ ($68\%$ C.L.), lifting its Gaussian evidence for the first time above $5σ$ (up from $4 σ$ when the trigger contribution to dark matter is negligible). At the same time, we find the new concordance values $H_0 = 71.71 \pm 0.88 \,\mathrm{km}\, \mathrm{sec}^{-1}\, \mathrm{Mpc}^{-1}$ and $S_8 = 0.793 \pm 0.018$. Excluding large-scale structure data and the SH$_0$ES prior, both Gaussian tensions are reduced below the $2 σ$ level.

研究の動機と目的

• LambdaCDM における H0 および S8 の張り合いを動機付け、NEDE を同時解決として探る。
• トリガーフィールドのエネルギー密度を無視する仮定を緩和して両張り合いを解決できるかを調査する。
• 小さなトリガーフィールドダークマターの分率が宇宙論的観測量とパラメータ制約へ与える影響を定量化する。
• NEDE 相転移後のトリガーフィールド摂動を追跡するための TriggerCLASS 実装を更新して提供する。

提案手法

• 冷たい Cold NEDE に、自由パラメータとして非可 Negligible なトリガーフィールドエネルギー密度 Omega_phi を拡張する。
• NEDE 相転移を、超軽量場 phi が発展して転移を誘発する一階相転移としてモデル化する。
• 転移後のトリガーフィールドとその摂動を追跡することで一次線形摂動を計算し、更新されたボルツマンコード TriggerCLASS を用いて解析する。
• 超軽量トリガー後の急速な振動を扱うため、効果的流体表現を用いる。
• BAO、LSS、SN（SH0ES prior を含む）、CMB データに対してモデルを適合させ、f_NEDE、H0、S8 を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トリガーフィールドエネルギー密度 Omega_phi が非ゼロの場合、Cold NEDE は H0 と S8 の張り合いを同時に緩和できるか？
• RQ2 Omega_phi が非ゼロに許容されたとき、好ましい NEDE 分数エネルギー密度 f_NEDE はどの程度か？
• RQ3 宇宙論的適合にトリガーフィールド摂動を含めたとき、H0 と S8 の制約はどう変わるか？
• RQ4 データを考慮したトリガーフィールド質量スケールと UV 完成の含意は？
• RQ5 NEDE 流体方程式の状態方程式と摂動のモデリング選択に対して NEDE の予測はどれだけ頑健か？

主な発見

• 非ゼロのトリガーフィールド DM 分率は f_NEDE = 0.134^{+0.032}_{-0.025}（68%CL）、Gaussian evidence は 5σ 超で上昇。
• モデルは H0 = 71.71 ± 0.88 km/s/Mpc、S8 = 0.793 ± 0.018 を支持。
• LSS データと SH0ES prior を除くと、H0 および S8 の張り合いは約 2σ 未満に低減。
• LSS および SH0ES prior を含めても、張り合いは低減したままで LSS との整合性を保つ。
• このアプローチは、Cold NEDE の枠組みを超えずに新しい成分を追加せずに両張り合いを同時に解決する。