[論文レビュー] Constraint on Early Dark Energy from Isotropic Cosmic Birefringence

Johannes R. Eskilt, Laura Herold+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、パリティ破れ相互作用に起因する宇宙マイクロ波背景（CMB）の$EB$パワー スペクトルを用いて、初期の暗黒エネルギー（EDE）モデルにおける光子-アキソン結合定数を制約している。68%信用区間で$g = (0.04 \pm 0.16)\,M_{\text{Pl}}^{-1}$が得られ、顕著なEDE誘発宇宙バイレフリジングを排除し、前景に依存しない強固な制約を提供しており、素因数物理学および弦理論の埋め込みに影響を及ぼす。

ABSTRACT

Polarization of the cosmic microwave background (CMB) is sensitive to new physics violating parity symmetry, such as the presence of a pseudoscalar "axionlike" field. Such a field may be responsible for early dark energy (EDE), which is active prior to recombination and provides a solution to the so-called Hubble tension. The EDE field coupled to photons in a parity-violating manner would rotate the plane of linear polarization of the CMB and produce a cross-correlation power spectrum of $E$- and $B$-mode polarization fields with opposite parities. In this paper, we fit the $EB$ power spectrum predicted by the photon-axion coupling of the EDE model with a potential $V(ϕ)\propto [1-\cos(ϕ/f)]^3$ to polarization data from Planck. We find that the unique shape of the predicted $EB$ power spectrum is not favored by the data and obtain a first constraint on the photon-axion coupling constant, $g=(0.04\pm 0.16)M_{ ext{Pl}}^{-1}$ (68% CL), for the EDE model that best fits the CMB and galaxy clustering data. This constraint is independent of the miscalibration of polarization angles of the instrument or the polarized Galactic foreground emission. Our limit on $g$ may have important implications for embedding EDE in fundamental physics, such as string theory.

研究の動機と目的

• 初期の暗黒エネルギー（EDE）モデルにスカラーの擬スカラー場が光子と結合している場合、CMBに観測可能な宇宙バイレフリジングを引き起こすかどうかを検証すること。
• パリティ破れ相互作用に起因する予測される$EB$パワー スペクトルの特徴的な形状を用いて、光子-アキソン結合定数$g$を制約すること。
• プランクデータから得られた観測された$EB$スペクトルが、EDE誘発バイレフリジングを支持するのか、それとも再結合以降の効果や機器のキャリブレーション誤差によってよりよく説明されるのかを特定すること。
• 得られた$g$制約が、弱い重力予想や弦理論といった素因数物理学の原則と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• 再結合以前に一時的な暗黒エネルギー状態を駆動できるように、EDEポテンシャルを$V(\phi) \propto [1 - \cos(\phi/f)]^3$としてモデル化する。
• ラグランジアンに$\mathcal{L} \propto g\phi F_{\mu\nu}\tilde{F}^{\mu\nu}$というチャーン・シモンズ項を含め、パリティ破れを引き起こし、CMBの偏光面を回転させる。
• 光子-アキソン結合に起因する予測される$EB$パワー スペクトルを計算し、$g$に敏感で、$\ell$-モードの混合に依存しない特徴的な形状を持つことを確認する。
• $\alpha$（キャリブレーション誤差）と$\beta$（再結合以降のバイレフリジング）を周辺化する統合尤度解析を用いて、予測された$EB$スペクトルをプランク2018年の偏光データにフィットする。
• $EB$スペクトルの奇数パリティ性を活用して、パリティ破れ物理学の信号を、通常の$E$-モードおよび$B$-モード源からの汚染から分離する。
• GetDistパッケージを用いたベイズ解析を実施し、$f_{\text{EDE}}$および$V$のポテンシャルにおける$n$を変化させることでロバストネスを検証し、制約が主に$\alpha + \beta$に依存することを確認する。

Figure 1: Stacked observed $EB$ power spectrum (black points with error bars), compared to the best-fitting models of $\alpha+\beta$ (red) and $g$ for two EDE models with parameters shown in Table 1 (blue and green). The $\chi^{2}$ is $65.8$ , $77.5$ , and $103.5$ for the red, blue, and green lines,

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランクデータから得られた観測された$EB$パワー スペクトルは、光子-アキソン結合による初期の暗黒エネルギーに起因する宇宙バイレフリジングの証拠を示しているか？
• RQ2 EDE誘発バイレフリジングに起因する$EB$パワー スペクトルの特徴的なスペクトル形状は、他の$EB$相関の原因と区別できるか？
• RQ3 光子-アキソン結合定数$g$の制約は、機器キャリブレーション誤差や銀河系の前景放射の不確実性に対してロバストか？
• RQ4 得られた$g$制約は、弦理論や量子重力といった基本的理論へのEDEの埋め込みにどのような意味を持つのか？
• RQ5 観測された$g$制限は、$|g| \gtrsim M_{\text{Pl}}^{-1}$が要求される弱い重力予想と矛盾するか？

主な発見

• プランクデータは、光子-アキソン結合による初期の暗黒エネルギーに起因する宇宙バイレフリジングを支持していない。$EB$スペクトルはゼロからの顕著なずれを示さない。
• 68%信用区間で、光子-アキソン結合定数は$g = (0.04 \pm 0.16)\,M_{\text{Pl}}^{-1}$に制約され、非常に弱い結合であることが示された。
• この制約は、キャリブレーション角$\alpha$や再結合以降のバイレフリジング$\beta$に依存せず、$EB$スペクトルの形状が主に$\alpha + \beta$に依存するため、ロバストである。
• 得られた$g$値は重力結合スケールよりもはるかに小さく、$|g| \ll M_{\text{Pl}}^{-1}$であるため、$|g| \gtrsim M_{\text{Pl}}^{-1}$が要求される場合、弱い重力予想と矛盾する可能性がある。
• $f = 0.15\,M_{\text{Pl}}$のEDEモデルでは、異常係数は$68%$信用区間で$c_{\phi\gamma} = 5.2 \pm 21$に制約され、$|c_{\phi\gamma}| \gtrsim 130$が弱い重力予想によって要求される場合、自然な値とは整合しない。
• この手法は、$n=2$ポテンシャルなどの他のEDEモデルへ一般化可能であり、今後のCMB実験への応用も可能である。

Figure 2: Posterior distributions of $g/M_{\text{Pl}}^{-1}$ and $\alpha+\beta$ for the best-fitting EDE parameters under the base and base+SH0ES data sets, and two Galactic masks.