[論文レビュー] Cosmological Signatures of the Interaction between Dark-Energy and Massive Neutrinos

Kiyotomo Ichiki, Yong-Yeon Keum|ArXiv.org|Mar 21, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、質量のあるニュートリノがクインテッセンススカラー場と相互作用することで質量が時間とともに変化し、宇宙の加速膨張を引き起こす宇宙論的モデルを調査する。宇宙論的摂動理論を用いて、CMB非等方性および物質パワー スペクトルを計算した結果、ニュートリノ質量の和に対する95%信頼区間の上限は $\sum m_{\nu} < 0.87\,\text{eV}$ であることが判明した。また、ボルツマン方程式における散乱項がエネルギー運動量保存を保ち、ISW効果を安定化させる上で重要な役割を果たす。

ABSTRACT

We investigate whether interaction between massive neutrinos and quintessence scalar field is the origin of the late time accelerated expansion of the universe. We present cosmological perturbation theory in neutrinos probe interacting dark-energy models, and calculate cosmic microwave background anisotropies and matter power spectrum. In these models, the evolution of the mass of neutrinos is determined by the quintessence scalar field, which is responsible for the cosmic acceleration today. We consider several types of scalar field potentials and put constraints on the coupling parameter between neutrinos and dark energy. Assuming the flatness of the universe, the constraint we can derive from the current observation is $\sum m_ν &lt; 0.87 eV$ at the 95 % confidence level for the sum over three species of neutrinos. We also discuss on the stability issue of the our model and on the impact of the scattering term in Boltzmann equation from the mass-varying neutrinos.

研究の動機と目的

• 時間に依存するニュートリノ質量がクインテッセンススカラー場との結合によって引き起こされる場合の宇宙論的意味を調査すること。
• このような相互作用が宇宙マイクロ波背景（CMB）非等方性および大規模構造（LSS）パワー スペクトルに与える影響を調査すること。
• 相互作用するダークエネルギーモデルにおけるニュートリノ質量の和および結合強度に対する観測的制約を導出すること。
• 摂動に対してモデルが安定であるか、およびニュートリノボルツマン方程式における散乱項の役割を検討すること。

提案手法

• 時間に依存するニュートリノ質量を持つニュートリノプローブ相互作用型ダークエネルギーモデルのための宇宙論的摂動理論フレームワークを構築する。
• ニュートリノ自己エネルギー寄与から生じる有効ポテンシャル項を含むクインテッセンススカラー場の運動方程式を導出する。
• 線形領域においてエネルギー運動量保存を保証するために、$\partial m_\nu / \partial x$ に比例する散乱項をニュートリノの測地線方程式に組み込む。
• 宇宙論的進化を異なる形で探るため、逆べき乗則型、SUGRA型、指数関数的ポテンシャルの3種類のクインテッセンスポテンシャルを検討する。
• 時間に依存する質量 $m_\nu(\phi) = \bar{m}_i e^{\beta \phi / M_{\text{pl}}}$ を持つニュートリノのボルツマン方程式を解き、散乱項の影響を含める。
• CMBおよびLSSデータを用いた尤度解析により、ニュートリノ質量の和および結合パラメータを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量のあるニュートリノとクインテッセンススカラー場との相互作用が、宇宙マイクロ波背景非等方性パワー スペクトルに与える影響は何か？
• RQ2 ニュートリノボルツマン方程式における散乱項が、統合サックス＝ホル・効果および大規模構造に与える影響は何か？
• RQ3 モデルは断熱的摂動に対して安定であるか？また、そのような安定性を保証するスカラー場ポテンシャルの条件は何か？
• RQ4 この相互作用型ダークエネルギー状況下で、総ニュートリノ質量に観測的制約を課すことができるか？
• RQ5 逆べき乗則型、SUGRA型、指数関数的ポテンシャルといった異なるクインテッセンスポテンシャルは、宇宙論的進化および観測可能なシグネチャーにどのように影響を与えるか？

主な発見

• ニュートリノボルツマン方程式における散乱項の導入は、線形領域においてエネルギー運動量保存を保つために不可欠であり、これにより遅い時間におけるISW効果の物理的でない増幅を防ぐ。
• 散乱項を無視すると、エネルギー運動量保存の破れにより、特に大きなスケールで異常な大きなISW効果が生じる。
• 有効スカラー場質量 $m_{\text{eff}}$ が宇宙全期間にわたりハッブルスケール $H$ よりも小さいため、モデルは断熱不安定性に対して安定である。
• ニュートリノの音速は正のままであり、相対論的状態の $1/3$ から低下する傾向にあり、密度揺らぎに対する安定性を示している。
• 現在のCMBおよびLSSデータから、ニュートリノ質量の和に対する95%信頼区間の上限は $\sum m_\nu < 0.87\,\text{eV}$ である。
• $M_\nu = 1.0\,\text{eV}$ のモデルは物質パワー スペクトルにおいて観測データから顕著に逸脱するが、$M_\nu = 0.3\,\text{eV}$ のモデルは他のパラメータを調整した場合、観測データと整合的である。