[論文レビュー] Does the fraction of dark matter diminish with early dark energy?

Hao Wang, Yun-Song Piao|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 121被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スワームランド距離予想に触発され、初期の暗黒エネルギー（EDE）と結合することで一部の暗黒物質が『消えていた』（質量を失っていた）可能性を調査する。Planck CMB、BAO、Pantheon、SH0ES、DES-Y1 データを用いたMCMC解析により、EDEと結合する暗黒物質の小さな割合（f* ≲ 0.03）が、S₈の不一致を軽減しつつH₀の不一致を悪化させないことが示されたが、c ≈ 0 は観測データと整合的であることが判明した。

ABSTRACT

In pre-recombination early dark energy (EDE) resolutions of the Hubble tension, the rise of Hubble constant value $H_0$ is usually accompanied with the exacerbation of so-called $S_8$ tension. Inspired by the swampland conjecture, we investigate what if a fraction $f_*$ of dark matter is coupled to EDE, $m_{cdm}\sim \exp{(-c{|Δϕ_{ede}|\over M_{pl}})}$ with $c\sim {\cal O}(1)$. We perform the MCMC analysis for the relevant EDE models with PlanckCMB, BAO, Pantheon and SH0ES dataset, as well as DES-Y1 data, and find that such a fraction helps to alleviate the $S_8$ tension. However, though $c\gtrsim 0.1$ is allowed for a very small $f_*$, which suggests that a small fraction of dark matter has ever faded with EDE, $c\sim0$ is also consistent.

研究の動機と目的

• スワームランド距離予想に触発され、初期の暗黒エネルギー（EDE）と結合することで、一部の暗黒物質が動的に質量を失った（『褪せた』）可能性を調査すること。
• このような結合が、標準的なEDEモデルがH₀の不一致を解消しても依然として続くS₈の不一致を軽減できるかどうかを評価すること。
• Planck CMB、BAO、Pantheon、SH0ES、DES-Y1 を含む宇宙論的データセットを用いて、このモデルの妥当性を検証すること。
• 特に結合強度cと関与する暗黒物質の割合f* に関して、現在の観測制約と整合的かどうかを特定すること。

提案手法

• EDEに依存する質量の暗黒物質結合を提案：m_cdm ∝ exp(–c|Δφ_ede|/M_pl)，ここでc ≈ O(1) であり、φ_ede はEDEスカラー場である。
• Planck CMB、BAO、Pantheon、SH0ES、DES-Y1 データセットを用いたマーカフ連鎖モンテカルロ（MCMC）解析により、モデルパラメータを制約する。
• 2つのEDEモデルを検討：アキソン様EDEとAdS-EDEであり、両方ともf* の割合の暗黒物質がEDEと結合可能である。
• 有効場理論のUV完備性を保証するため、スワームランド距離予想（SDC）を適用し、場の変位を制約する。
• 時間経過に伴うスカラー場φ_ede、EDEエネルギー密度f_ede、有効暗黒物質質量m_cdm(φ_ede) の進化を分析する。
• 局所的測定（SH0ES、KiDS+DES-Y1）と比較して、モデル予測のS₈およびH₀ が、不一致の軽減に寄与するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EDEと暗黒物質の部分的結合が、H₀の不一致を悪化させることなくS₈の不一致を軽減できるか？
• RQ2 小さなf* の暗黒物質がEDEにより褪せた場合、現在の宇宙論的データと整合的であるために許容される最大の結合強度cは何か？
• RQ3 EDE結合による暗黒物質の褪せ機構は、スワームランド距離予想と整合的か？
• RQ4 DES-Y1 データの組み込みおよび異なるEDEモデル（アキソン様対AdS-EDE）は、f* とc の制約にどのように影響するか？
• RQ5 このモデルは非ゼロのcを好むのか、それともc ≈ 0 が依然として妥当なのか、特にS₈およびH₀ 測定の観点から検討する。

主な発見

• EDEと結合する小さなf* の暗黒物質の組み込みにより、S₈の不一致が軽減され、AdS-EDEでは最適適合f* ≈ 0.03、アキソン様EDEではf* ≈ 0.5 が得られた。
• 両EDEモデルにおいて、f* が小さい場合、1σでc ≳ 0.1 が許容可能であり、EDEにより一部の暗黒物質が褪せた可能性があることが示唆された。
• 褪せの可能性があるにもかかわらず、c ≈ 0 は1σ信頼領域内にあり、特にアキソン様EDEでは最適適合cが負であった。
• ベースライン＋DES-Y1 データセットでは、顕著な褪せは否定され、特に場の変位が小さいアキソン様EDEではc ∼ 0 が好まれた。
• DES-Y1 データを含めても、スケール不変の初期スペクトル（n_s ≈ 1）が維持され、H₀ ≈ 73 km/s/Mpc と整合的であった。
• 両モデルにおいてS₈の不一致が軽減された：アキソン様EDEでは最適適合S₈ ≈ 0.82、AdS-EDEではS₈ ≈ 0.8433 であり、標準的なEDEよりも局所測定に近づいた。