[論文レビュー] Could the Hubble Tension be Pointing Towards the Neutrino Mass Mechanism?

Miguel Escudero|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、タイプIのシーイズ機構におけるスピンのないレプトン数の対称性の破れから生じる、擬スカラー・ボソン（メジャロン）が、局所的およびCMBに基づくH₀測定値の間のハッブル・トランス（Hubble tension）を解消できるかどうかを調査している。プランクCMBデータは、メジャロン-ニュートリノ結合定数をλ ~ 10⁻¹³まで制限しており、メジャロン＋追加のダーク放射（extra-dark-radiation）を含む宇宙論モデルでは、ハッブル・トランスが4.4σから2.5σに低下することが示され、電弱スケールのレプトン数の対称性の破れと整合性のあるパラメータ領域が好ましいことがわかった。

ABSTRACT

Local measurements of the Hubble constant currently disagree with the high-precision value that is inferred from the CMB under the assumption of a $Λ$CDM cosmology. The significance of this tension clearly motivates studying extensions of the standard cosmological model capable of addressing this outstanding issue. Broadly speaking, models that have been successful in reducing the the tension between the CMB and local measurements (without introducing additional tension in other datasets) require an additional component of the energy density in the Universe at a time close to recombination. In this contribution, I will show that the Majoron -- a pseudo-Goldstone boson arising from the spontaneous breaking of a global lepton number symmetry and often associated with the neutrino mass mechanism -- can help to reduce the Hubble tension. Importantly, I will also show that current CMB observations can constrain neutrino-Majoron couplings as small as $10^{-13}$, which within the type-I seesaw mechanism correspond to scales of lepton number breaking as high as $\sim 1\, ext{TeV}$.

研究の動機と目的

• ΛCDMを超える物理が、局所的およびCMBに基づくH₀測定値の間のハッブル・トランスを解消できるかどうかを調査すること。
• タイプIのシーイズ機構におけるスピンのないレプトン数対称性の破れから生じる擬スカラー・ボソン（メジャロン）の宇宙論的影響を検討すること。
• メジャロン-ニュートリノ相互作用と追加のダーク放射が、同時にハッブル・トランスを軽減し、プランクCMB観測と整合性を持つことができるかどうかを検証すること。
• 現在のCMBデータ、特にプランクのレガシ観測を用いて、メジャロン-ニュートリノ結合定数およびメジャロン質量の強度を制限すること。

提案手法

• 本研究では、U(1)ₗグローバル対称性の破れから生じるメジャロン場φを含む宇宙論的モデルを採用し、チャイralな相互作用ラグランジアン：ℒ_int = i(λ/2)φν̄γ₅ν によってニュートリノと結合させる。
• メジャロンは、λ ≈ 2mν/vL でニュートリノと結合し、ニュートリノ質量およびvL（レプトン数の対称性の破れスケール）に比例して抑制される。
• 再結合の前における膨張レートの増加を図るため、ΔNₑffでパラメータ化された追加のダーク放射成分をモデルに組み込む。
• メジャロン＋ΔNₑffモデルのパラメータ空間を制限するために、プランク2018年CMBデータおよびBAOデータを用いたフルなMCMCベイズ解析を実施する。
• メジャロン-ニュートリノ相互作用の存在が、相対論的粒子種の有効数にどのような影響を及ぼし、特に重力レンズ効果および温度非均一性の特徴をどのように変化させるかを評価する。
• メジャロン＋ΔNₑffモデルがプランクデータに適合する程度を、標準的なΛCDM＋ΔNₑffモデルと比較し、ハッブル・トランスの低減の有意性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプIのシーイズ機構から生じるメジャロンが、プランクCMBデータへの適合性を損なわせることなく、ハッブル・トランスを軽減できるか？
• RQ2 現在のCMB観測によって探査可能な最小のメジャロン-ニュートリノ結合定数λはどの程度か？
• RQ3 メジャロン-ニュートリノ相互作用の導入が、有効相対論的粒子種の数ΔNₑffおよび再結合付近の膨張歴にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 理論的に妥当なパラメータ領域が、ハッブル・トランスの軽減と同時に宇宙論的観測と整合性を持つことができるか？
• RQ5 初期のメジャロンの集団が、膨張レートのより強い増加を引き起こし、ハッブル・トランスを完全に解消できるか？

主な発見

• プランクCMB観測は、メジャロン-ニュートリノ結合定数をλ ~ 10⁻¹³まで制限しており、これはタイプIのシーイズ機構内でのレプトン数の対称性の破れスケールが約1 TeVまで可能であることを示している。
• メジャロン＋ΔNₑff宇宙論モデルでは、ハッブル・トランスが4.4σから2.5σに低下し、顕著なが、完全な解消までは至らない。
• ハッブル・トランスを軽減するための好ましいパラメータ領域は、1σ信頼水準でΔNₑff = 0.5 ± 0.2に対応する。
• この好ましい領域では、メジャロン質量はmϕ ~ 0.1–1 eV、結合定数はλ ~ 10⁻¹⁴–10⁻¹³（eV/mϕ）の範囲にあり、電弱スケールのレプトン数の対称性の破れと整合性がある。
• ΛCDM＋ΔNₑffとは異なり、メジャロン-ニュートリノ相互作用の導入により、プランク適合性が劣化せず、より大きなΔNₑff値を維持できる。
• 本研究では、次元5の演算子から予想される量子重力的期待と整合するメジャロン質量の理論的根拠のある領域を同定し、モデルの自然な起源を示唆している。