[論文レビュー] Linear cosmological constraints on 2-body decaying dark matter scenarios and robustness of the resolution to the $S_8$ tension

Guillermo Franco Abellán, Riccardo Murgia+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、ダークマターが質量のない（ダーク放射）および質量のある（ウォームダークマター）粒子に2体崩壊するモデルを調査しており、その崩壊寿命はエネルギー分额 $\varepsilon$ に依存する。このモデルは、CMBおよび物質パワー スペクトルへの適合を改善することで $S_8$ 矛盾を解消するが、他の宇宙論的データとの整合性を損なわない。また、Xenon1Tの電子反跳過剰現象の説明も可能である。

ABSTRACT

The '$S_8$ tension' is a longstanding discrepancy between the cosmological and local determination of the amplitude of matter fluctuations, parameterized as $S_8\equiv\sigma_8(\Omega_m/0.3)^{0.5}$, where $\sigma_8$ is the root mean square of matter fluctuations on a 8 $h^{-1}$Mpc scale, and $\Omega_m$ is the total matter abundance. It was recently shown that dark matter (DM) decaying into a massless (dark radiation) and a massive (warm DM) species, with a lifetime $\Gamma^{-1} \simeq 55~ (\varepsilon/0.007)^{1.4}$ Gyrs -- where $\varepsilon$ represent the mass-energy fraction transferred to the massless component -- can resolve the tension. Thanks to a new, fast and accurate approximation scheme for the warm species, we perform a comprehensive study of this 2-body decaying DM scenario, discussing in details its dynamics and its impact on the CMB and linear matter power spectra. We then confront the robustness of the resolution to the '$S_8$ tension' against a number of changes in the analysis: different $S_8$ priors, marginalization over the lensing information in Planck data, trading Planck high$-\ell$ polarization data for those from the SPTpol collaboration, and the inclusion of the recent results from the Xenon1T collaboration. We conclude that the preference for decaying DM, while entirely driven by the local $S_8$ measurements, does not sensibly degrade the fit to any of the cosmological data-sets considered, and that the model could explain the anomalous electron recoil excess reported by the Xenon1T collaboration.

研究の動機と目的

• 質量のあるウォームダークマター成分と質量のない放射成分を有する2体崩壊するダークマターのシナリオが $S_8$ 矛盾を解消できるかどうかを調査すること。
• 新しい高速かつ高精度な近似スキームを用いて、ウォームダークマター成分の動的進化と宇宙論的影響を分析すること。
• データの事前分布、レンズ効果のマージナライゼーション、および代替の高 $\ell$ 偏光データに対する変更に対して、$S_8$ 矛盾の解消がどの程度頑健かをテストすること。
• このモデルが最近のXenon1Tの電子反跳過剰現象の観測とどの程度整合するかを評価すること。

提案手法

• 2体崩壊シナリオにおけるウォームダークマター成分の伝達関数および進化をモデル化するため、新しい高速かつ高精度な近似スキームを開発した。
• 質量のあるおよび質量のない崩壊生成物の効果を組み込んだ、崩壊するダークマターモデルの線形物質パワー スペクトルおよびCMB非等方性パワー スペクトルをシミュレートした。
• Planck 2018 CMBデータを用いてモデルを制約し、$S_8$ 事前分布を変化させ、レンズ効果の増幅をマージナライズすることで頑健性をテストした。
• 高 $\ell$ 偏光データとしてPlanckのデータをSPTpol測定値に置き換えて、高多重度偏光の不確実性に対する感受性をテストした。
• 最新のXenon1Tの電子反跳過剰現象に関する結果を組み込み、直接検出制約とのモデル整合性を評価した。
• ベイズフレームワークを用いて、複数の宇宙論的データセットおよび感度テストにおけるモデルの適合度を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量のあるウォームダークマター成分と質量のない放射成分を有する2体崩壊するダークマターモデルは、$S_8$ 矛盾を解消できるか？
• RQ2 Planckデータにおける $S_8$ 事前分布やレンズ効果のマージナライゼーションの変更に対して、$S_8$ 矛盾の解消はどの程度頑健か？
• RQ3 SPTpolの高 $\ell$ 偏光データがPlanckのデータに置き換わった場合、モデルは依然として整合性を保つか？
• RQ4 このモデルは、Xenon1T実験で観測された異常な電子反跳過剰現象を同時に説明できるか？
• RQ5 このシナリオにおいて、ウォームダークマター成分は線形物質パワー スペクトルおよびCMB非等方性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 寿命が $\Gamma^{-1} \simeq 55~ (\varepsilon/0.007)^{1.4}$ Gyr である2体崩壊するダークマターモデルは、宇宙論的データとの適合性を向上させることで $S_8$ 矛盾を効果的に解消する。
• $S_8$ 事前分布を変化させたり、レンズ効果情報をマージナライズしても、CMBおよび線形物質パワー スペクトルへの適合性が良好に保たれる。
• Planckの高 $\ell$ 偏光データをSPTpol測定値に置き換えても、モデルの適合性に顕著な悪化は生じず、高多重度偏光の不確実性に対して頑健であることが示された。
• 最近のXenon1T共同研究の異常な電子反跳過剰現象の観測と、このモデルは整合性を保ち、崩壊過程に共通の起源がある可能性を示唆している。
• 新しい近似スキームにより、ウォームダークマター成分の動的挙動が良好にモデル化され、宇宙論的パワー スペクトルの正確かつ効率的な計算が可能になった。
• 崩壊するダークマターの優位性は主に局所的な $S_8$ 測定値によって駆動されるが、他の検討された宇宙論的データセットとの適合性は損なわれていない。