[論文レビュー] Implications of the $S_8$ tension for decaying dark matter with warm decay products

Guillermo Franco Abellán, Riccardo Murgia+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、冷たい暗黒物質が質量を持つ温い暗黒物質粒子と質量のない暗黒放射成分に二体崩壊する二体崩壊型暗黒物質（ΛDDM）モデルを提案する。自由行程による構造形成の抑制が生じる。寿命が約55 Gyrでエネルギー移譲率ε ≈ 0.7%のとき、σ8の低減によりS8の矛盾が解消され、同時にCMB、BAO、SNIa、成長因子データにも適合し、標準的ΛCDMに対する妥当な代替案を提供する。

ABSTRACT

Recent weak lensing surveys have revealed that the direct measurement of the parameter combination $S_8\equiv\sigma_8(\Omega_m/0.3)^{0.5}$ -- where $\sigma_8$ is a measure of the amplitude of matter fluctuations on 8 $h^{-1}$Mpc scales -- is $\sim3\sigma$ discrepant with the value reconstructed from cosmic microwave background (CMB) data assuming the $\Lambda$CDM model. In this article, we show that it is possible to resolve the tension if dark matter (DM) decays with a lifetime of $\Gamma^{-1} \simeq 55 \ ext{Gyrs}$ into one massless and one massive product, and transfers a fraction $\varepsilon\simeq 0.7 \ \%$ of its rest mass energy to the massless component. The velocity-kick received by the massive daughter leads to a suppression of gravitational clustering below its free-streaming length, thereby reducing the $\sigma_8$ value as compared to that inferred from the standard $\Lambda$CDM model, in a similar fashion to massive neutrino and standard warm DM. Contrarily to the latter scenarios, the time-dependence of the power suppression and the free-streaming scale allows the 2-body decaying DM scenario to accommodate CMB, baryon acoustic oscillation, growth factor and un-calibrated supernova Ia data. We briefly discuss implications for DM model building, galactic small-scale structure problems and the recent Xenon-1T excess. Future experiments measuring the growth factor to high accuracy at $0\lesssim z\lesssim1$ can further test this scenario.

研究の動機と目的

• ΛCDMフレームワーク内でのS8の矛盾（CMBから推定したσ8(Ωm/0.3)⁰.⁵と弱引力レンズ測定値との3σの差異）を解消すること。
• 温い崩壊生成物を有する二体崩壊型暗黒物質が、既存の宇宙論的データと矛盾しない範囲で小スケールパワーを抑制できるかを検討すること。
• このようなモデルが、CMBのレンズ効果、BAO、キャリブレーションのないSNIa、成長因子測定を同時に適合できるかをテストすること。
• このモデルが小スケール構造問題とXenon-1Tの過剰を同時に解消する可能性を評価すること。

提案手法

• 冷たい暗黒物質が質量を持つ温い暗黒物質（WDM）粒子と質量のない暗黒放射（DR）成分に二体崩壊するモデル（ΛDDM）を導入する。
• WDM種に対して新しい流体近似を用い、ハブスケール未満のスケールで位相空間分布を3つの多重極に簡略化し、効率的な数値計算を可能にする。
• CLASS数値コードにDCDM、WDM、DRの完全な摂動方程式を組み込み、線形宇宙論的摂動を含む。
• Planckの高ℓおよび低ℓ CMBデータ、BAO、SNIa（Pantheon）、S8測定にフィットするため、モンテカルロ・マルコフ連鎖（MCMC）解析を実施。
• S8の尤度をKIDS1000+BOSS+2dfLenSデータに基づき、スプリット正規分布としてモデル化し、S8 = 0.766⁺⁰.⁰²₀₋₀.⁰¹⁴とする。
• QDMAPの矛盾尺度とベイズ的証拠を用いて、このモデルを標準的ΛCDMおよび質量のあるニュートリノ（νΛCDM）のシナリオと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温い崩壊生成物を有する二体崩壊型暗黒物質モデルは、CMB、BAO、SNIaデータと整合しながらS8の矛盾を解消できるか？
• RQ2 この崩壊モデルにおける時間に依存する物質パワースペクトルの抑制は、標準的質量ニュートリノまたはWDMのシナリオとどのように異なるか？
• RQ3 S8をCMBデータと整合させるために必要な崩壊パラメータ（寿命およびエネルギー移譲率）は何か？他の宇宙論的制約に反しない範囲で。
• RQ4 このモデルは、同時にXenon-1Tの過剰とΛCDMにおける小スケール構造問題を説明できるか？
• RQ5 パラメータの事前分布の選択（対数スケール vs. 線形スケール）にどれほど感度があるか？

主な発見

• モデルは、暗黒物質の崩壊寿命が約55 Gyrで、質量のない成分へのエネルギー移譲率がε ≈ 0.7%のとき、S8の矛盾を解消する。
• 温かい娘粒子が、自由行程スケール未満で物質パワースペクトルの時間に依存する抑制を引き起こし、質量ニュートリノや標準的WDMと同様のσ8の低減を実現する。
• 本モデルは、Planck CMB、BAO、キャリブレーションのないSNIa、S8データを同時に適合でき、過去の2体崩壊モデルがBAOとCMBレンズ効果の両方の制約で失敗したのとは対照的である。
• 結果は事前分布の選択に強く依存しない：εとΓの1次元および2次元事後分布は、εの下限を10⁻⁴から10⁻⁶に変更してもほとんど変化しない。
• 先行研究により、組み合わせたBAO、SNIa、Planckデータから、Hubbleの矛盾は解消されないことが確認されている。
• S8データを含めた場合、ベイズ的証拠はΛCDMよりもΛDDMモデルを支持しており、全データセットに対する適合性の向上が示唆される。