[論文レビュー] $k-$Dependent Dark Matter

Parisa Arabameri, Zahra Davari+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2023

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、大スケール（$k \ll 1$）では冷たいDM（CDM）として振る舞い、小スケール（$k \gtrsim 1$）では温かいDM（WDM）として振る舞う$k$-依存性のあるダークマター（k-DM）モデルを提案する。このモデルは、波数依存の自由行程を動機としている。CLASSおよびMontePythonコードを用いて、このモデルが小スケールのパワーを抑制することで$S_8$の矛盾を軽減するが、$H_0$の矛盾に対する是正は限定的であることが示された。このモデルは、新たな粒子的成分を導入せずに小スケール$\Lambda$CDMの問題を解決するための現象論的アプローチを提供する。

ABSTRACT

With the emersion of precise cosmology and the emergence of cosmic tensions, we are faced with the question of whether the simple model of cold dark matter needs to be extended and whether doing so can alleviate the tensions and improve our understanding of the properties of dark matter. In this study, we investigate one of the generalized models of dark matter so that the behavior of this dark matter changes according to the scale of $k$. In large scales (small $k$'s), the dark matter is cold, while it becomes warm for small scales (large $k$'s). This behavior is modeled phenomenologically for two different scenarios. We show that the $S_8$ tension can be alleviated, but the $H_0$ tension becomes milder while not too much.

研究の動機と目的

• 小スケールの$\Lambda$CDMモデルの問題、特にくぼみ-コア問題、欠落している衛星銀河問題、そして「大きすぎるが生き残れるはずのない」銀河問題を解決すること。
• 大スケールでは冷たい、小スケールでは温かい振る舞いを示す波数依存のダークマター行動が、現在の宇宙論的矛盾を軽減できるかどうかを調査すること。
• 高精度なCMBおよび大スケール構造データを用いて、$k$-依存性のあるDMが$S_8$および$H_0$の矛盾を軽減できるかどうかをテストすること。
• $k$-依存性のあるダークマターが物質パワースペクトル、CMBの非一様性、構造成長に与える現象論的影響を調査すること。

提案手法

• 波数$k$に依存する有効音速および状態方程式を備えた現象論的$k$-依存性ダークマターモデルを構築すること。
• $k$-依存性フレームワークにおけるダークマター摂動のボルツマン方程式を導出し、解くこと。
• 宇宙論的観測量の正確な計算を可能にするCLASS（Cosmic Linear Anisotropy Solving System）コードにこのモデルを実装すること。
• Planck 2018 CMBデータ（TT、TE、EE、レンズ効果）、BAO（BOSS DR12、eBOSS Ly-$\alpha$）、Ly$\alpha$フォレストデータを用いて、MontePython-v3を用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）解析を実施すること。
• 標準$\Lambda$CDMモデルと比較して、モデルの予測する$H_0$、$S_8$、物質パワースペクトル、CMB温度非一様性を評価すること。
• 赤方偏移に伴う$H(z)/(1+z)$の時間発展および再電離の赤方偏移$z_{\rm reio}$を分析し、観測と整合するかを評価すること。

Figure 1: 1D likelihoods and 2D contours in 68% and 95% CL marginalized joint regions for chosen free parameters while they are constrained by using $Planck+Other$ datasets. It seems the $k$ -DM models predict lower $S_{8}$ to alleviate this tension while the $H_{0}$ value is not affected too much.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小スケールで冷たい行動から温かい行動に遷移する$k$-依存性のダークマターモデルは、$S_8$の矛盾を軽減できるか？
• RQ2 このようなモデルは、初期時空と後期時空の宇宙論的測定の間の$H_0$の矛盾をどの程度軽減できるか？
• RQ3 $k$-依存性のダークマターは、さまざまなスケールにおける物質摂動の成長率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 $k$-依存性のDMは、特に低多重子領域におけるCMB温度パワースペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ5 このモデルは再電離歴史を変えるか？また、$z_{\rm reio}$の観点から$\Lambda$CDMモデルと比較してどう異なるか？

主な発見

• この$k$-依存性のダークマターモデルは、小スケールパワーの抑制により$S_8$の矛盾を軽減し、$k$-DM(1)モデルが最も顕著な軽減効果を示した。
• $H_0$の矛盾に対する是正は限定的であり、$k$-DMモデルの$H_0$値はPlanckの$67.0-68.5$ km/s/Mpcよりは高いが、SH0ESの$74.03 \pm 1.42$よりは低い。
• 高$k$領域では物質揺らぎの成長率が遅くなり、小スケールクラスタリングの抑制と整合的である。
• 温度パワースペクトルでは、特に$k$-DM(1)モデルで低-$l$領域に抑制が見られ、これは修正されたISW効果および再電離歴史に起因する。
• 再電離の赤方偏移$z_{\rm reio}$は、$k$-DM(1)で6.02、$k$-DM(2)で6.41、$\Lambda$CDMで7.38と推定され、$k$-DM(1)モデルで顕著なずれが生じた。
• モデルの予測は、数MpcスケールでのLy$\alpha$フォレストデータと整合的であるが、非常に小スケールの$k$領域でのデータ不足のため、完全な制約は得られていない。

Figure 2: The matter power spectrum for $k$ -Dependent DM and CDM models, and the fractional difference between them. The behavior of $k$ -DM models mimics the CDM for small $k$ ’s. However, we see a transition for large $k$ ’s in $k$ -DM models. However, there is no very precise data points at thos