[論文レビュー] $S_8$ Tension in the Context of Dark Matter-Baryon Scattering

Adam He, Mikhail M. Ivanov+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、10%の準位下GeVのダークマターがバリオンと速度に依存しない弾性散乱を経験するモデルを提案し、小スケール構造を抑制する。BOSSフルシェイプ銀河クラスタリングデータとDESからの$S_8$事前分布を用いて、非ゼロの散乱断面積に対する$ sim 3\sigma$の支持が得られ、$S_8$の不一致を軽減し、$k \lesssim 1~h/\mathrm{Mpc}$で線形パワーを$ sim 20\%$低下させる。これは小スケール構造制約と整合的である。

ABSTRACT

We explore an interacting dark matter (IDM) model that allows for a fraction of dark matter (DM) to undergo velocity-independent scattering with baryons. In this scenario, structure on small scales is suppressed relative to the cold DM scenario. Using the effective field theory of large-scale structure, we perform the first systematic analysis of BOSS full-shape galaxy clustering data for the IDM scenario, and we find that this model alleviates the $S_8$ tension between large-scale structure and Planck data. Adding the $S_8$ prior from DES to our analysis further leads to a mild $\sim3σ$ preference for a non-vanishing DM-baryon scattering cross-section, assuming $\sim 10\%$ of DM is interacting and has a particle mass of 1 MeV. This result produces a modest $\sim 20$% suppression of the linear power at $k\lesssim 1~h$/Mpc, consistent with other small-scale structure observations. Similar scale-dependent power suppression was previously shown to have the potential to resolve $S_8$ tension between cosmological data sets. The validity of the specific IDM model explored here will be critically tested with upcoming galaxy surveys at the interaction level needed to alleviate the $S_8$ tension.

研究の動機と目的

• 初期宇宙と後期宇宙の測定値の間の$S_8$の不一致を軽減できるかどうか、ダークマター-バリオン散乱モデルが有効であるかを調査すること。
• 初めての相互作用的ダークマター（IDM）フレームワークにおいて、BOSSフルシェイプ銀河クラスタリングデータを用いてダークマター-バリオン散乱断面積を制約すること。
• IDMによる線形物質パワースペクトルのスケール依存性の抑制が、Planck CMBとDES弱強度レンズ測定からの$S_8$値を一致させうるかを検証すること。
• ミルキーウェイの衛星天体およびライマン-$\alpha$フォレスト制約と整合するかを検討し、IDMモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 本研究では、大規模構造の有効場理論を用いて、ダークマター-バリオン散乱が物質パワースペクトルに与える影響をモデル化し、スケール依存の転送関数抑制を導入する。
• Baryon Oscillation Spectroscopic Survey（BOSS）の銀河クラスタリングのフルシェイプを用いた系統的で宇宙論的分析を実施し、パワースペクトルへの非線形補正を組み込む。
• モデルは、ダークマター質量が100 keVから100 MeVの範囲にあり、$f_\chi = 10\%$ のダークマターが速度に依存しない断面積$\sigma_0$を介してバリオンと弾性散乱すると仮定する。
• 分析では、BOSSデータに加え、Planck CMBとDESの$S_8$事前分布を組み合わせ、$\chi^2$最小化を用いてIDMモデルと$\Lambda$CDMモデルを比較する。
• 事前分布の選択によるバイアスを避けるために、$\sigma_0$に$[-30, -23]$のログ一様事前分布を適用し、事前分布のロバストネスをテストする。
• 宇宙論的パラメータの周辺化事後分布を計算・可視化し、制約とモデルの優位性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10%の相互作用的ダークマター割合を有するダークマター-バリオン散乱モデルが、Planck CMBとDES弱強度レンズデータの間の$S_8$の不一致を軽減できるか？
• RQ2 BOSSフルシェイプ銀河クラスタリングデータを組み込むことで、非ゼロのダークマター-バリオン散乱断面積に対する統計的に有意な支持が得られるか？
• RQ3 IDMモデルは小スケールでどれほど線形物質パワースペクトルを抑制するか？ また、その抑制は既存のライマン-$\alpha$フォレストおよびミルキーウェイ衛星天体制約と整合的か？
• RQ4 散乱断面積の事前分布の変更に対して、IDMモデルの支持はどれほどロバストか？

主な発見

• $m_\chi = 1~\mathrm{MeV}$、$f_\chi = 10\%$ のIDMモデルは、BOSSとDES $S_8$データを組み合わせた場合、非ゼロのダークマター-バリオン散乱断面積に対して$\sim 3\sigma$の支持を示す。
• モデルは、$k \lesssim 1~h/\mathrm{Mpc}$で線形物質パワーを$\sim 20\%$低下させることで$S_8$の不一致を軽減し、小スケール構造観測と整合的である。
• Planck + BOSS + DESの組み合わせにおける$\Delta\chi^2_{\mathrm{min}}$は、$m_\chi = 1~\mathrm{MeV}$、$f_\chi = 10\%$ の場合$-6.7$であり、$\Lambda$CDMに比べ顕著な改善を示す。
• ログ一様事前分布を適用しても、$\Delta\chi^2_{\mathrm{min}} = -5.6$を達成し、モデルのロバストネスと$\Lambda$CDMより$>2\sigma$の優位性を確認した。
• モデルの抑制プロファイルは、レンズとCMBデータの統合から推定されたパラメータのパラメータプレート形式と一致し、$S_8$の不一致を解消する可能性を支持する。
• ミルキーウェイ衛星天体およびライマン-$\alpha$フォレストの制約と整合的であり、$0.2 \lesssim k \lesssim 2~h/\mathrm{Mpc}$の範囲でパワー抑制は$\lesssim 25\%$に制限されている。