[論文レビュー] Coupled and uncoupled early dark energy, massive neutrinos and the cosmological tensions

Adrià Gómez-Valent, Ziyang Zheng+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、宇宙論的緊張、特にハッブル定数とS8の緊張を緩和するために、質量を持つニュートリノを伴う早期の暗黒エネルギー（EDE）モデル——結合付きおよび非結合付き——を調査する。ultra-light axion-like（ULA）EDEは、σ₁₂を増加させずにハッブル定数の緊張を約2σまで低下させることができると判明した。一方、ダークセクター内での結合は物質のクラスタリングを強化し、観測データによって強く制約を受ける。また、ニュートリノの質量和に対する厳密な上限があるため、質量を持つニュートリノの影響は限定的である。

ABSTRACT

Some cosmological models with non-negligible dark energy fractions in particular windows of the pre-recombination epoch are capable of alleviating the Hubble tension quite efficiently, while keeping the good description of the data that are used to build the cosmic inverse distance ladder. There has been an intensive discussion in the community on whether these models enhance the power of matter fluctuations, leading {\it de facto} to a worsening of the tension with the large-scale structure measurements. We address this pivotal question in the context of several early dark energy (EDE) models, considering also in some cases a coupling between dark energy and dark matter, and the effect of massive neutrinos. We fit them using the Planck 2018 likelihoods, the supernovae of Type Ia from the Pantheon compilation and data on baryon acoustic oscillations. We find that ultra-light axion-like (ULA) EDE can actually alleviate the $H_0$ tension without increasing the values of $σ_{12}$ with respect to those found in the $Λ$CDM, whereas EDE with an exponential potential does not have any impact on the tensions. A coupling in the dark sector tends to enhance the clustering of matter, and the data limit a lot the influence of massive neutrinos, since the upper bounds on the sum of their masses are too close to those obtained in the standard model. We find that in the best case, namely ULA, the Hubble tension is reduced to $\sim 2σ$.

研究の動機と目的

• 早期の暗黒エネルギー（EDE）モデルを用いて、宇宙論における持続的なハッブル定数とS8の緊張を解消すること。
• EDEモデルが物質のクラスタリングを強化することで、大規模構造との緊張を悪化させるかどうかを評価すること。
• ダークエネルギーとダークマターの結合および質量を持つニュートリノが宇宙論的制約に与える影響を調査すること。
• Planck 2018、SNIa、BAOデータに対して、ULAおよび指数関数的ポテンシャルEDEモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• Planck 2018 CMB尤度、Pantheon SNIa、およびBAOデータを用いてEDEモデルをフィットする。
• 反復的最適化を用いて、EDEパラメータ（f_ede, z_max）をULAポテンシャルパラメータ（m, f）に写像するためのシューティング法を採用する。
• CMB high/lowl、レンズ効果、SNIa、BAOといったデータセット間のχ²比較を用いて、モデルの性能を評価する。
• 非結合EDE（ULA、指数関数的ポテンシャル）および異なるダークエネルギー–ダークマター結合を有する結合EDE（CDE）モデルを分析する。
• 自由な質量を持つニュートリノを組み込み、標準のΛCDMモデルと比較する。
• ニュートリノ質量スプリング（Δm²₂₁, Δm²₃₁）の事前分布を用いたモンテカルロサンプリングを実施し、感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ultra-light axion-like早期の暗黒エネルギー（ULA EDE）は、S8の緊張を悪化させることなく、ハッブル定数の緊張を緩和できるか？
• RQ2 ダークエネルギーとダークマターの結合は物質のクラスタリングを強化し、S8の緊張を悪化させるか？
• RQ3 ニュートリノ質量和を自由に変化させた場合、その影響が宇宙論的緊張にどのように現れるか？
• RQ4 指数関数的ポテンシャルを持つEDEモデルは、ハッブル定数またはS8の緊張に何らかの影響を及ぼすか？
• RQ5 現在の宇宙論的データから、ダークエネルギー–ダークマター結合強度に課せられる制約は何か？

主な発見

• ultra-light axion-like（ULA）EDEモデルは、σ₁₂を増加させずにハッブル定数の緊張を約2σまで低下させ、大規模構造データとの整合性を保った。
• 指数関数的ポテンシャルを持つEDEは、ハッブル定数またはS8の緊張に顕著な影響を及ぼさない。
• ダークセクター内での結合は物質のクラスタリングを強化し、現在のデータによって強く制約を受けるため、その影響は限定的である。
• ニュートリノ質量和の上限が極めて厳しく、変動を許容しても顕著な効果は得られない。
• CDE_ULAモデルは、Planck18+SNIa+BAOデータを用いたフィットにおいて、ΛCDMモデルよりも総合的にΔχ²が7.87改善し、最も優れた性能を示した。
• 質量を持つニュートリノを含めると、ULAモデルのχ²がわずかに改善される（Δχ² = 3.94）が、厳密な制約のためその効果は限定的である。