[論文レビュー] Cosmological direct detection of dark energy

Sunny Vagnozzi, Luca Visinelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、ダークエネルギーがバリオンと運動量の交換を通じて直接相互作用する可能性を調査し、有効ボルツマン方程式を用いてその相互作用をモデル化する。大まかな断面積（最大でO（ミリバーン））であっても、CMBおよび物質パワー スペクトルへの影響は微小であり、低多重度では宇宙分散に埋もれる1パーセント未満の効果にとどまる。したがって、このような散乱を介したダークエネルギーの直接的宇宙論的検出は、線形領域ですら極めて困難である。

ABSTRACT

We consider the possibility that dark energy and baryons might scatter off each other. The type of interaction we consider leads to a pure momentum exchange, and does not affect the background evolution of the expansion history. We parametrize this interaction in an effective way at the level of Boltzmann equations. We compute the effect of dark energy-baryon scattering on cosmological observables, focusing on the Cosmic Microwave Background (CMB) temperature anisotropy power spectrum and the matter power spectrum. Surprisingly, we find that even huge dark energy-baryon cross-sections $\sigma_{xb} \sim {\cal O}({ m b})$, which are generically excluded by non-cosmological probes such as collider searches or precision gravity tests, only leave an insignificant imprint on the observables considered. In the case of the CMB temperature power spectrum, the only imprint consists in a sub-percent enhancement or depletion of power (depending whether or not the dark energy equation of state lies above or below $-1$) at very low multipoles, which is thus swamped by cosmic variance. These effects are explained in terms of differences in how gravitational potentials decay in the presence of a dark energy-baryon scattering, which ultimately lead to an increase or decrease in the late-time integrated Sachs-Wolfe power. Even smaller related effects are imprinted on the matter power spectrum. The imprints on the CMB are not expected to be degenerate with the effects due to altering the dark energy sound speed. We conclude that, while strongly appealing, the prospects for a direct detection of dark energy through cosmology do not seem feasible when considering realistic dark energy-baryon cross-sections. As a caveat, our results hold to linear order in perturbation theory.

研究の動機と目的

• 宇宙プラズマ内におけるダークエネルギーとバリオンの散乱を通じたダークエネルギーの直接的検出可能性を調査すること。
• このような相互作用が、CMB温度非一様性や物質パワー スペクトルなどの宇宙論的観測量に測定可能なインプリントを残すかどうかを評価すること。
• 加速器実験や高精度重力実験などの非宇宙論的プローブからの制約を踏まえた上で、宇宙論的直接検出の可能性を評価すること。
• ダークエネルギー-バリオン散乱の効果が、音速などの他のダークエネルギーパラメータとデゲネラシーを示すかどうかを特定すること。

提案手法

• 宇宙論的摂動の有効ボルツマン枠組み内において、ダークエネルギー-バリオン相互作用を運動量交換プロセスとしてモデル化すること。
• 背景膨張歴史を保存するように修正されたボルツマン方程式を導出すること。
• 線形摂動論を用いて、CMB温度パワー スペクトルおよび物質パワー スペクトルへの修正を計算すること。
• 散乱の存在下で重力ポテンシャルの減衰が変化することに起因する、遅刻時統合サックス＝ホーウェル効果への影響を分析すること。
• 非宇宙論的制約に整合する範囲で、断面積σ_xbを変化させた場合の観測量への感度を評価すること。
• ダークエネルギー音速の変化が引き起こす効果と比較し、デゲネラシーの有無を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークエネルギー-バリオン散乱は、CMB温度非一様性パワー スペクトルに検出可能な信号を生じるか？
• RQ2 最大でO（ミリバーン）に達する大きなダークエネルギー-バリオン断面積であっても、CMBや物質パワー スペクトルなどの宇宙論的観測量にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ダークエネルギー-バリオン散乱のインプリントは、ダークエネルギー音速の変化とデゲネラシーを示すか？
• RQ4 遅刻時統合サックス＝ホーウェル効果は、この散乱の観測可能な効果を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 強力な断面積があるにもかかわらず、宇宙論的観測量へのインプリントが極めて小さいのはなぜか？

主な発見

• 最大でO（ミリバーン）に達するダークエネルギー-バリオン断面積であっても、CMB温度パワー スペクトルへの影響は1パーセント未満であり、非常に低多重度に限定される。
• CMBインプリントは、ダークエネルギー状態方程式が-1より大きい場合と小さい場合で、それぞれわずかなパワー増幅または減少として現れ、これは遅刻時統合サックス＝ホーウェル効果の変化に起因する。
• これらのCMB効果は宇宙分散に埋もれており、現在または近い将来のデータでは観測不可能である。
• 物質パワー スペクトルへの関連する効果はさらに小さく、検出には無視できる。
• 散乱に起因する修正は、ダークエネルギー音速の変化とはデゲネラシーを示さないため、明確な物理的シグナルを示す。
• 結果として、線形摂動論の範囲内でも、バリオン散乱を介したダークエネルギーの直接的宇宙論的検出は、現実的な断面積のもとでは不可能であると考えられる。