[論文レビュー] Interacting dark energy axions in light of the Hubble tension

Ennis Mawas, Lauren Street+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 34被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、2つまたは3つの相互作用するアキソン様粒子（ALPs）を動的ダークエネルギーとして用いることで、後期時間におけるハッブル定数の矛盾（Hubble tension）を解決する手法を提案する。ALPのパラメータを調整することにより、モデルは約74 km/s/Mpcのハッブル定数を達成し、プランクCMBデータとの4–6σの矛盾を解消するが、一方で音響ホライズンが変化しないためBAOおよびパンセオン超新星データと矛盾する。

ABSTRACT

A current problem within the ΛCDM framework is the tension between late and early time measurements of the Hubble parameter today, H0. We entertain the possibility that dark energy modeled as multiple interacting axion-like-particle species can alleviate the current Hubble tension. We then test these parameters against the milder tension between the CMB and large scale structure (LSS) observations of σ8 to ensure that these models do not exacerbate the tension. We find that there exist parameter spaces for models of two and three axion-like-particles which can potentially alleviate the Hubble tension as well as the σ8 tension.

研究の動機と目的

• 初期時間（プランクCMB）と後期時間（SH0ES）のハッブル定数H₀の4–6σの差異を解消すること。
• 複数の相互作用するアキソン様粒子（ALPs）が、ハッブル定数の矛盾を解消する動的ダークエネルギー機構として機能しうるかを調査すること。
• H₀の矛盾を解消する解が、CMBと大規模構造データの間で既存のσ₈の矛盾を悪化させないことを保証すること。
• 2粒子および3粒子のALPモデルにおける、両方の矛盾を同時に緩和するパラメータ空間を同定すること。
• 音響ホライズンの一貫性がBAOおよびパンセオンデータと矛盾する課題を強調し、今後の包括的データ解析の動機を示すこと。

提案手法

• N個のスカラー場、崩壊定数fᵢ、自己相互作用項μᵢ、粒子間相互作用定数μᵢ,ⱼおよび混合パラメータnᵢ,ⱼを用いた、D’Amicoらのモデルを一般化した相互作用するALPsの自己相互作用ポテンシャルを導入する。
• 相互作用するALP場のダイナミクスを通じて時間的に変化するダークエネルギーの状態方程式ω(z) = p(z)/ρ(z)をモデル化する。
• ALPのエネルギー密度および圧力が合計エネルギー収支に寄与するように、修正されたフレリッドマン方程式を用いてハッブルパラメータH(z)を進化させる。
• Barrosらの形式を用いて、結合クインテッセンスモデルにおけるσ₈の近似値を計算し、ALPに基づくダークエネルギー状況に拡張する。
• 初期宇宙の物理が変化しないと仮定し、標準的なCMB/BAO定義に従ってz ≈ 1100における音響ホライズンrₐを計算する。
• CMB（99.08 ± 0.80 Mpc）およびBAO（99.95 ± 1.20 Mpc）測定値と照らし合わせることで、rₐhの積が後期時間データとどの程度一致するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つまたは3つの相互作用するアキソン様粒子を用いたモデルが、ハッブルパラメータを動的に調整し、4–6σのH₀の矛盾を解消できるか？
• RQ2 H₀の矛盾を解消するパラメータ空間が、CMBと大規模構造観測の間でより小さいσ₈の矛盾を緩和するのか？
• RQ3 音響ホライズンrₐが変化しないという前提のもと、これらのALPモデルがBAOおよびパンセオン超新星データとどの程度一貫性を保っているか？
• RQ4 変化しない音響ホライズンが、このALPフレームワークにおける後期時間解の妥当性に及ぼす影響はいかほどか？
• RQ5 このモデルが、特に初期宇宙の物理に関連する7つの仮定を満たさないまま、H₀の矛盾を解消するための必要条件を満たすことができるか？

主な発見

• 2粒子および3粒子のアキソン様粒子モデルにおいて、パラメータ空間が存在し、z = 0におけるハッブルパラメータがH₀ ≈ 74 km/s/Mpcに進化し、後期時間のSH0ES測定値と整合する。
• H₀の矛盾を解消する同じパラメータセットが、σ₈の矛盾を軽減し、CMBと大規模構造の測定値をよりよく一致させる。
• 初期宇宙の物理が変化しないため、z ≈ 1100における音響ホライズンrₐは変化しないが、これによりBAOおよびパンセオンデータと矛盾する。
• ALPモデルにおける計算されたrₐhは約108.82 ± 0.21 Mpc（h ≈ 0.74として）であり、CMB（99.08 ± 0.80 Mpc）およびBAO（99.95 ± 1.20 Mpc）の値を上回り、これらのデータセットと矛盾を示している。
• H₀およびσ₈の矛盾を解消するモデルの成功は、今後の包括的宇宙論的データ解析に依存しており、現在のBAOおよびパンセオンデータからの制約が、そのパラメータ空間を不適切なものとしている。
• BAOおよびパンセオンデータとの矛盾にもかかわらず、結果は相互作用するALPモデルが、赤方偏移に依存するH₀の傾向に関する新たな証拠が浮上していることを踏まえ、今後の検討価値のある後期時間解の有効性を示唆している。