[論文レビュー] Dark matter nugget and new early dark energy from interacting neutrino: A promising solution to Hubble anomaly

Antareep Gogoi, Prolay Chanda+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、物質-放射均衡以前に初期の暗黒エネルギー（EDE）を形成するため、相互作用する不活性ニュートリノと動的なスカラー場を統合したモデルを提案する。ニュートリノが非相対論的になると、フェルミ圧がスカラー引力と釣り合うことで、安定した冷たい暗黒物質に似たナゲットへと収縮し、再結合以前に自然にEDEの行動が終了する。これにより、遅い時刻の制約を回避できる。

ABSTRACT

We present a novel scenario, in which light (mass $\sim$ few m{eV}) sterile neutrinos interact with a dynamical scalar field and for some duration prior to matter-radiation equality (MRE), the neutrino-scalar fluid behaves like early dark energy (EDE) as the field adiabatically stays at minimum of effective potential. In this scenario, when (sterile) neutrino becomes non-relativistic before MRE, we show that, neutrino-scalar fluid develops instability in perturbations followed by formation of neutrino-nuggets which redshifts like cold dark matter. The sterile fermions get trapped in nuggets of degenerate matter that are stable over cosmological timescales. As the scalar field adiabaticaly relaxes into the minimum of an effective potential of neutrino-scalar interaction, the early dark energy behaviour of the neutrino-scalar fluid increases the local Hubble expansion rate and relaxes Hubble anomaly. As neutrino mass scale is comparable to MRE temperature, the duration and scale of this early DE happens naturally prior to recombination. As it goes through an intermediate phase of nugget formation, we find that our model does not worsen $S_8$ tension. As soon as the nugget forms, the neutrinos decouple from the scalar field and the combined fluids no longer behave like EDE, thus escaping the constraints from late time cosmology. The stability of the dark matter nugget is achieved when the Fermi pressure balances the attractive scalar force and we numerically find the mass and radius of nuggets by solving the static configuration. We also show that the nugget lifetime can be easily greater than the age of the Universe.

研究の動機と目的

• 物質-放射均衡以前に一時的な初期の暗黒エネルギー（EDE）段階を導入することで、ハッブル緊張を解消すること。
• 不活性ニュートリノがスカラー場と相互作用することで、安定した冷たい暗黒物質ナゲットがどのように形成されるかを説明すること。
• EDE段階が再結合以前に終了するように保証することで、遅い時刻の宇宙論的観測からの制約を回避すること。
• モデルが $S_8$ 緊張を悪化させないことを示すこと。
• 宇宙論的スケールで長期間にわたり暗黒物質ナゲットが安定していることを確立すること。

提案手法

• スカラー場が有効ポテンシャルの最小値に向かって断熱的に進化するように、ニュートリノ-スカラー流体を力学的系としてモデル化する。
• 有効ポテンシャルを用いて、初期の暗黒エネルギー行動から冷たい暗黒物質に似たナゲット形成への遷移を記述する。
• 静的構成方程式を用いて、ニュートリノナゲットの質量と半径を数値的に解く。
• ナゲットの機械的安定性を達成するために、スカラー引力とフェルミ圧を釣り合わせる。
• ニュートリノ-スカラー流体の摂動の進化を追跡し、ナゲット形成に至る不安定化の始まりを特定する。
• ニュートリノ質量スケールがMRE温度と同等になるように調整することで、再結合以前にEDE段階が終了することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質-放射均衡以前に、ニュートリノ-スカラー相互作用モデルから一時的な初期の暗黒エネルギー段階が自然に出現できるか？
• RQ2 不活性ニュートリノが非相対論的になると、どのように安定した冷たい暗黒物質ナゲットが形成されるか？
• RQ3 このモデルにおける結果として得られる暗黒物質ナゲットの質量と半径は、何によって決定されるか？
• RQ4 モデルは $S_8$ 緊張を悪化させることなく、ハッブル緊張を成功裏に解決できるか？
• RQ5 遅い時刻の宇宙論的制約を回避するため、EDE段階を再結合以前に終了させることができるか？

主な発見

• ニュートリノ-スカラー流体は、スカラー場の有効ポテンシャルの最小値への断熱的進化により、初期の暗黒エネルギー行動を示す。
• ニュートリノ-スカラー流体が非相対論的になると不安定化し、冷たい暗黒物質に似たクラスタリングを示すナゲットが形成される。
• ナゲットの質量と半径は静的平衡方程式を解くことで決定され、フェルミ圧がスカラー引力を相殺することで安定性が保証される。
• EDE段階は、ニュートリノ質量スケールがMRE温度と同等であるため、再結合以前に自然に終了する。これにより、遅い時刻の宇宙論的制約を回避できる。
• ナゲット形成がEDE行動から十分に早く分離されるため、モデルは $S_8$ 緊張を悪化させない。
• 数値的結果から、ナゲットの寿命が宇宙の年齢を上回ることが確認され、宇宙論的スケールで長期間にわたり安定していることが保証される。