[論文レビュー] Cosmological forecasts on thermal axions, relic neutrinos and light elements

William Giarè, Fabrizio Renzi+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 93被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、シミュレートされたステージ-IV CMBおよびDESIに類似したBAOデータを用いて、熱的に生成されたQCDオーロンおよび質量のあるニュートリノの宇宙論的制約を予測している。将来の観測が、それぞれ95%信頼水準で𝑚𝑎 ≲ 0.92 eVおよび∑𝑚𝜈 ≲ 0.12 eVの範囲にオーロンおよびニュートリノ質量の境界を改善できることを示しており、BBNの不確実性仮定に対してもその頑健性が確認されている。

ABSTRACT

One of the targets of future Cosmic Microwave Background and Baryon Acoustic Oscillation measurements is to improve the current accuracy in the neutrino sector and reach a much better sensitivity on extra dark radiation in the Early Universe. In this paper we study how these improvements can be translated into constraining power for well motivated extensions of the Standard Model of elementary particles that involve axions thermalized before the quantum chromodynamics (QCD) phase transition by scatterings with gluons. Assuming a fiducial $\Lambda$CDM cosmological model, we simulate future data for Stage-IV CMB-like and Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-like surveys and analyze a mixed scenario of axion and neutrino hot dark matter. We further account also for the effects of these QCD axions on the light element abundances predicted by Big Bang Nucleosynthesis. The most constraining forecasted limits on the hot relic masses are $m_{ m a} \lesssim 0.92$ eV and $\sum m_ u\lesssim 0.12$ eV at 95 per cent Confidence Level, showing that future cosmic observations can substantially improve the current bounds, supporting multi-messenger analyses of axion, neutrino and primordial light element properties.

研究の動機と目的

• 次世代のCMBおよびBAOデータを用いて、熱的に生成されたQCDオーロンおよび質量のあるニュートリノの宇宙論的制約を予測すること。
• オーロンが、余剰な暗黒放射（𝑁eff）およびビッグバン核合成（BBN）による軽い元素の生成に与える影響を評価すること。
• 特にベリリウム-7やその他の軽い核種に関して、BBN予測の不確実性がオーロンおよびニュートリノ質量の制約に与える影響の頑健性を評価すること。
• CMB、BAO、BBNデータの相乗効果が、高温リlic質量を制約する上でどのように機能するかを調査すること。
• 将来の観測が、eV未満のオーロン質量範囲を探索可能かどうか、また正規ニュートリノ質量順序を検証可能かどうかを特定すること。

提案手法

• ファイドゥシャルΛCDM宇宙論的モデルに基づく、ステージ-IV CMB（CMB-S4に類似）およびDESIに類似したBAO調査の将来のシミュレートデータ。
• GetDistおよびNumPyを用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングにより、宇宙論的パラメータの制約を分析した。
• 余剰な相対論的粒子の効果を含む、理論的初期宇宙の軽い元素の生成を計算するために、PArthENoPE BBNコードを導入した。
• 放射支配時代におけるオーロンの寄与をモデル化するため、相対論的自由度の有効数（𝑁eff）形式を適用した。
• ホットなダークマターによる小スケール構造の自由流れ抑制および初期統合サックス＝ホーウェル効果を考慮した。
• 核物理学的仮定への感受性をテストするために、BBNコードを含む・含まないを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のCMB-S4およびDESIに類似したBAOデータを用いた場合、熱的に生成されたQCDオーロンの質量に期待される制約は何か？
• RQ2 オーロンは、有効相対論的自由度（𝑁eff）およびCMBパワースペクトル、特に減衰尾にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特にベリリウム-7およびヘリウム-4に関して、BBN予測の不確実性がオーロンおよびニュートリノ質量の導出される境界に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 将来の観測が、ホットなダークマターによる抑制を介して、正規と逆転ニュートリノ質量順序を区別できるか？
• RQ5 CMBとBAOデータを組み合わせることで、CMB単体に比べてホットリリック質量への感度がどの程度向上するか？

主な発見

• 将来のCMB-S4およびDESIに類似したBAOデータは、95%信頼水準でオーロン質量を𝑚𝑎 < 0.92 eVに制約すると予測されており、現在の境界に比べて約5倍の改善が見込まれる。
• CMB-S4とBAOデータを組み合わせた場合、ニュートリノ質量の和は∑𝑚𝜈 < 0.12 eVに95%信頼水準で制約され、CMB単体の予測に比べて約2倍の改善が見込まれる。
• PArthENoPEコードを用いたBBN効果の組み込みは、制約に顕著な変化をもたらさず、初期核合成予測の不確実性に対して頑健であることが確認された。
• 中性子の寿命に関する仮定を変更しても、オーロンおよびニュートリノ質量の境界は安定しており、BBNの入力不確実性に対して感度が低いことが示された。
• 現在のデータでは、∑𝑚𝜈 = 0.06 eVの2σ検出は除外されており、したがって上界（逆転順序の予測に近い）しか得られない。
• 結果はマルチメッセンジャーコスモロジーの可能性を支持する：CMB、BAO、および正確な軽い元素の測定を組み合わせることで、eV未満のオーロン質量を探索可能であり、正規ニュートリノ質量順序を支持する。