[論文レビュー] Neutrino Degeneracy and Decoupling: New Limits from Primordial Nucleosynthesis and the Cosmic Microwave Background

M. Orito, T. Kajino+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、より正確な反応率計算（デギネラシー効果および有効質量補正を含む）を用いてニュートリノ脱結合温度を再キャリブレーションすることで、ニュートリノのデギネラシーおよびレプトン非対称性に関する宇宙論的制約を再評価している。高エネルギーのニュートリノデギネラシー（例：ξνμ,τ ≈ 11）と高いバリオン密度（Ωbh² ≈ 0.2）の組み合わせが、初期核合成とCMBデータと整合的であることが判明した。特にCMBパワースペクトルにおける第2アコースティックピークの抑制が、BOOMERANGおよびMAXIMA-1の観測結果と一致するためである。

ABSTRACT

We reanalyze the cosmological constraints on the existence of a net universal lepton asymmetry and neutrino degeneracy. We show that neutrinos can begin to decouple at higher temperatures than previous estimates due to several corrections which diminish the neutrino reaction rate. These decoupled neutrinos are therefore not heated as the particle degrees of freedom change. The resultant ratio of the relic neutrino-to-photon temperatures after $e^\pm$ annihilation can then be significantly reduced by more than a factor of two from that of the standard nondegenerate ratio. This changes the expansion rate and subsequent primordial nucleosynthesis, photon decoupling, and structure formation. In particular we analyze physically plausible lepton-asymmetric models with large $ν_μ$ and $ν_τ$ degeneracies together with a moderate $ν_e$ degeneracy. We show that the nucleosynthesis by itself permits very large neutrino degeneracies $0 \le \xinum$, $\xinut \le 40$, $0 \le \xinue \le 1.4$ together with large baryon densities $0.1 \le Ω_b \h502 \le 1$ as long as some destruction of primordial lithium has occurred. We also show that structure formation and the power spectrum of the cosmic microwave background allows for the possibility of an $Ω= 1$, $Ω_Λ= 0.4$, cosmological model for which there is both significant lepton asymmetry ($| \xinum | = | \xinut | \approx 11$) and a relatively large baryon density ($Ω_b \h502 \approx 0.2$). Our best-fit neutrino-degenerate, high-baryon-content models are mainly distinguished by a suppression of the second peak in the microwave background power spectrum. This is consistent with the recent high resolution data from BOOMERANG and MAXIMA-1.

研究の動機と目的

• 更新されたニュートリノ脱結合物理学を用いて、ニュートリノデギネラシーおよびレプトン非対称性に関する宇宙論的制約を再評価すること。
• ニュートリノデギネラシーが初期核合成、光子脱結合、構造形成に与える影響を評価すること。
• 高デギネラシーのニュートリノおよび高いバリオン密度が、初期核合成および宇宙マイクロ波背景からの観測データと整合的であるかどうかを検証すること。
• 現在のCMB観測、特に第2アコースティックピークの抑制と整合するように、大規模なニュートリノデギネラシーを再考すること。

提案手法

• デギネラシー効果を適切に取り入れた弱い相互作用を受ける粒子に対するニュートリノ反応率を再計算した。
• ニュートリノ散乱過程における有効電子および光子質量、相対速度の補正を組み込んだ。
• e±およびQCD相転移効果を含む、粒子の消失エポックの連続的取り扱いを実施した。
• 初期核合成計算とCMBパワースペクトルモデルを組み合わせ、デギネラシー・パラメータを制約した。
• νμおよびντの大きなデギネラシーと中程度のνeデギネラシーを持つモデルを観測的制約と照合した。
• BOOMERANGおよびMAXIMA-1のCMBデータとの整合性を評価し、特に第2ピークの抑制に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デギネラシーおよび有効質量補正を適切に考慮した場合、再計算されたニュートリノ脱結合温度はどのようになるか？
• RQ2 e±消失後に残るリリックニュートリノと光子の温度比は、高デギネラシーのニュートリノによってどの程度変化するか？
• RQ3 大きなニュートリノデギネラシーと高いバリオン密度を持つモデルが、初期核合成の制約と整合的であるか？
• RQ4 高デギネラシーのニュートリノが観測されたCMBパワースペクトルにおける第2アコースティックピークの抑制をどの程度説明できるか？
• RQ5 ΩΛ ≈ 0.4で顕著なレプトン非対称性（|ξνμ,τ| ≈ 11）を持つ、現在のCMBおよび核合成制約を満たす可能性のある有効な宇宙論的モデルは存在するか？

主な発見

• デギネラシーおよび有効質量補正による反応率補正のおかげで、従来の推定値よりも高い温度でニュートリノ脱結合が発生することが判明した。
• 標準的な非デギネラシー状態と比較して、リリックニュートリノと光子の温度比は2倍以上小さくなる可能性がある。
• リチウムの破壊が発生する場合、νμおよびντのデギネラシーがξνμ,τ ≤ 40、νeがξνe ≤ 1.4に達するモデルも核合成と整合的である。
• ΩΛ ≈ 0.4、Ωbh² ≈ 0.2、|ξνμ,τ| ≈ 11のモデルは、CMBデータと整合的であり、特に第2アコースティックピークの抑制と一致する。
• BOOMERANGおよびMAXIMA-1のデータにおけるCMB第2ピークの抑制は、高デギネラシーニュートリノモデルと整合的であり、3–5σの範囲でわずかな一貫性があると示唆される。
• MAPおよびPlanckのような高解像度CMBミッションは、このようなニュートリノデギネラシー状況をさらに制限するか、検出できると期待される。