[論文レビュー] Dark energy and matter interacting scenario to relieve $H_0$ and $S_8$ tensions

Li-Yang Gao, She-Sheng Xue+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、量子重力における漸近的安全性に裏付けられた、真空中エネルギーが物質および放射と相互作用する新しい$\tilde{\Lambda}$CDMモデルを提案する。CMB+BAO+SN+H₀+S₈データを用いて、このモデルは$H_0$の矛盾を0.75σに、$S_8$の矛盾を2.09σにまで低減する。最良適合パラメータは$H_0 = 71.9 \pm 1.1~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$および$S_8 = 0.8071 \pm 0.0099$であり、$H_0$および$S_8$データを含めた場合、AICによって$\Lambda$CDMよりも好まれる。

ABSTRACT

We consider a new cosmological model (called $ ildeΛ$CDM) in which the vacuum energy interacts with matter and radiation, and test this model using the current cosmological observations. Using the CMB+BAO+SN (CBS) dataset to constrain the model, we find that $H_0$ and $S_8$ tensions are relieved to $2.87σ$ and $2.77σ$, respectively. However, in this case, the $ ildeΛ$CDM model is not favored by the data, compared with $Λ$CDM. We find that when the $H_0$ and $S_8$ data are added to the data combination, the situation is significantly improved. In the CBS+$H_0$ case, the model relieves the $H_0$ tension to $0.47σ$, and the model is favored over $Λ$CDM. In the CBS+$H_0$+$S_8$ case, we obtain a synthetically best situation, in which the $H_0$ and $S_8$ tensions are relieved to $0.72σ$ and $2.11σ$, respectively. In this case, the model is most favored by the data. Therefore, this cosmological model can greatly relieve the $H_0$ tension and simultaneously effectively alleviate the $S_8$ tension.

研究の動機と目的

• 修正された$\lambda$CDMモデルを用いて、宇宙論における持続的な$H_0$および$S_8$の矛盾を解消すること。
• 真空中エネルギーが物質および放射と相互作用することで、両方の矛盾を同時に緩和できるかどうかを検証すること。
• AICなどの情報基準を用いて、標準的な$\Lambda$CDMモデルに対するモデルの統計的優位性を評価すること。
• 直接的な$H_0$および$S_8$測定値を含めることによる、モデルのフィッティングおよび矛盾低減への影響を調査すること。
• 完全な$\psi$CDMモデルと簡略化されたバージョン、および他の相互作用型ダークエネルギーモデルとの性能を比較すること。

提案手法

• モデルは、時間に依存する真空中エネルギーを導入し、物質および放射と相互作用する。エネルギー運動量テンソルの一般化された保存則$(T^{\mu\nu}_{\Lambda} + T^{\mu\nu}_{M})_{;\nu} = 0$を満たす。
• 相互作用は、量子重力における漸近的安全性および粒子生成に由来し、ダークエネルギーと物質の間でエネルギー流が保存されないことを示す。
• 宇宙論的制約は、CMB（Planck 2018）、BAO、SN（Pantheon）データ（CBS）の組み合わせを用い、$H_0$および$S_8$の事前分布を追加する。
• パラメータ空間の探索と事後分布の計算には、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いる。
• モデル比較には、アカイケ情報基準（AIC）を用い、$\Delta$AICは$\psi$CDMモデルが$\Lambda$CDMモデルに対してどれほど好まれるかを示す。
• $H_0$および$S_8$の矛盾は、それぞれモデルの最良適合値とPlanck 2018およびSH0ESの結果を比較することで定量化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空中エネルギーと物質の相互作用型宇宙論モデルは、$\Lambda$CDMで観測される$H_0$の矛盾を顕著に低減できるか？
• RQ2 CMB+BAO+SNに加えて$H_0$データを含めることで、モデルのフィッティングおよび矛盾低減が、CMB+BAO+SNのみの場合と比べて向上するか？
• RQ3 $\psi$CDMモデルは、$\Lambda$(t)CDMや簡略化された$\psi$CDMと比較して、宇宙論的矛盾の解消にどの程度優れているか？
• RQ4 $H_0$および$S_8$データを分析に含めた場合、$\psi$CDMモデルは$\Lambda$CDMモデルよりも統計的に好まれるか？
• RQ5 モデルは$H_0$の矛盾を悪化させることなく、$S_8$の矛盾をどの程度低減できるか？

主な発見

• CMB+BAO+SN（CBS）データのみで制約された場合、$\psi$CDMモデルは$H_0$の矛盾を$1.28\sigma$、$S_8$の矛盾を$2.67\sigma$にまで低減する。
• CMB+BAO+SNに$H_0$データを追加した場合（CBS+$H_0$）、$H_0$の矛盾は$0.53\sigma$にまで低下し、$\Delta$AIC = -1.87により$\Lambda$CDMよりも好まれる。
• CMB+BAO+SNに$S_8$データを追加した場合（CBS+$S_8$）、$H_0$の矛盾は$2.38\sigma$に悪化し、$\Delta$AICは4.24にまで上昇し、モデルの不適切さを示唆する。
• CMB+BAO+SN+$H_0$+$S_8$の組み合わせデータセットでは、全体として最も優れた性能を示す：$H_0 = 71.9 \pm 1.1~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$および$S_8 = 0.8071 \pm 0.0099$であり、それぞれの矛盾は$0.75\sigma$および$2.09\sigma$にまで低減される。
• この場合、モデルは最もデータに適合し、$\Delta$AIC = -2.86により$\Lambda$CDMよりも優れた適合性を示す。
• このモデルは、簡略化された$\psi$CDMおよび$\Lambda$(t)CDMモデルよりも、$H_0$および$S_8$の両方の矛盾を同時に低減する能力に優れ、統計的優位性も維持する。