[論文レビュー] Cosmological Invisible Decay of Light Sterile Neutrinos

Stefano Gariazzo, C. Giunti+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、eVスケールのステルラーニュートリノが光でない検出不能な粒子へと見えない崩壊を起こすことで、初期宇宙における宇宙論的熱平衡と短基長ニュートリノ振動実験のデータを調和させることを提案する。この崩壊により、初期宇宙における完全な熱平衡が可能となり、宇宙論的データ（特に局所的ハッブル定数測定値および小スケール構造の抑制）との整合性が保たれる。同時に、BICEP2によるテンソル対スカラー比の異常な値についても妥当な説明を可能にする。

ABSTRACT

We introduce a cosmological invisible decay of the sterile neutrino with the eV-scale mass indicated by short-baseline neutrino oscillation experiments in order to allow its full thermalization in the early Universe. We show that the fit of the cosmological data is practically as good as the fit obtained with a stable sterile neutrino without mass constraints, which has been recently considered by several authors for the explanation of the observed suppression of small-scale matter density fluctuations and for a solution of the tension between the Planck and BICEP2 measurements of the tensor to scalar ratio of large-scale fluctuations. Moreover, the extra relativistic degree of freedom corresponding to a fully thermalized sterile neutrino is correlated with a larger value of the Hubble constant, which is in agreement with local measurements.

研究の動機と目的

• 短基長振動実験によって示唆されるeVスケールのステルラーニュートリノと、初期宇宙におけるそれらの宇宙論的熱平衡との間の矛盾を解消すること。
• 局所的に測定された高いハッブル定数と、物質密度フラクチュエーションの小スケール抑制の観測結果を調和させること。
• PlanckおよびWMAPの制約に矛盾しないまま、BICEP2による高いテンソル対スカラー比を説明すること。
• 質量を持つステルラーニュートリノが完全に熱平衡状態に達可能であり、同時に小スケール構造の過剰生成を引き起こさない、妥当な宇宙論的モデルを提供すること。

提案手法

• ステルラーニュートリノが軽い検出不能な粒子へと見えない崩壊するチャネルを導入し、初期宇宙における完全な熱平衡を可能にする。
• CMB、大スケール構造（LSS）、クイアーシャイニング（CFHTLenS）、Planckのクラスターカウント（PSZ）、および局所的H0測定値を含む宇宙論的データセットを用いる。
• CosmoMCを用いて、ステルラーニュートリノの崩壊寿命τsと有効な追加相対論的自由度ΔNeffを制約するグローバルフィットを実行する。
• 短基長ニュートリノ振動実験データ（m_s ~ 1 eV）からの事前分布を導入し、ステルラーニュートリノ質量を制約する。
• ΔNeffとH0の相関関係を分析し、局所的H0測定値との整合性を評価する。
• ステルラーニュートリノの崩壊を含む・含まない場合を比較し、その宇宙論的影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eVスケールのステルラーニュートリノが、小スケール構造の過剰抑制を引き起こさずに初期宇宙で完全に熱平衡状態に達可能か？
• RQ2 ステルラーニュートリノの見えない崩壊が、BICEP2のテンソル対スカラー比の観測結果を含めた宇宙論的データのフィットを改善するか？
• RQ3 崩壊機構により、高い局所的ハッブル定数（H0）とCMBおよび大スケール構造からの宇宙論的制約を調和させられるか？
• RQ4 宇宙論的および振動実験データの組み合わせによる制約下で、ステルラーニュートリノの崩壊寿命τsの許容範囲は何か？
• RQ5 崩壊がΔNeffとH0の相関関係に与える影響は何か？また、局所的H0測定値との整合性を回復させるか？

主な発見

• ステルラーニュートリノの見えない崩壊を含む宇宙論的フィットは、安定なステルラーニュートリノを仮定した場合とほぼ同等の精度であり、全データセットでΔχ² ≈ 0を達成する。
• 質量m_s ~ 1 eVのステルラーニュートリノは、見えない崩壊によって完全に熱平衡状態に達可能であり、小スケール構造の過剰抑制を回避できる。
• モデルはΔNeff ≈ 1を予測し、これはより大きなハッブル定数H0と相関しており、局所的測定値と整合性を持つ。
• ステルラーニュートリノの崩壊寿命に対する1σ上限はτs < 0.11 T0（T0 = 宇宙の年齢）であり、2σ上限はτs < 0.26 T0である。
• ΔNeffを1に固定した場合、1σ範囲は0.5 < τs < 2.5 T0となり、2σ下限はτs > 0.14 T0に厳しくなる。
• 崩壊の導入により、ΔNeffとH0の相関関係が回復され、これはH0の矛盾を解消する上で不可欠である。