[論文レビュー] Self-Interacting Neutrinos in Light of Large-Scale Structure Data

Adam He, Rui An+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 144被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、有効場理論を用いて大規模構造（LSS）のクラスタリングをモデル化する、遅延した自由流れ開始を伴う自己相互作用ニュートリノモデルを提案する。Planck CMB、BOSS銀河クラスタリング、リューマン-αフォレスト、DES弱レントゲンのデータを統合的に分析した結果、フレーバー不変のニュートリノ自己相互作用が >5σ の優位性を示し、特徴的なエネルギースケールは約10 MeVである。このモデルはハッブル定数とS₈の両方の緊張を軽減するが、完全に解消はしない。

ABSTRACT

We explore a self-interacting neutrino cosmology in which neutrinos experience a delayed onset of free-streaming. We use the effective field theory of large-scale structure (LSS) to model matter distribution on mildly non-linear scales within the self-interacting neutrino cosmology for the first time. We perform the first combined likelihood analysis of BOSS full-shape galaxy clustering, weak lensing, and Lyman-$α$ forest measurements, together with the cosmic microwave background (CMB) data from Planck. We find that the full data set strongly favors presence of a flavor-universal neutrino self-interaction, with a characteristic energy scale of order $10$ MeV. The preference is at the $\sim 5σ$ level and is primarily driven by the Lyman-$α$ forest measurements and, to a lesser extent, the weak lensing data from DES. The self-interacting neutrino model eases both the Hubble tension and the $S_8$ tension between different cosmological data sets, but it does not resolve either. Finally, we note a preference for a non-zero sum of neutrino masses at the level of $\sim 0.3$ eV under this model, consistent with previous bounds. These results call for further investigation in several directions, and may have significant implications for neutrino physics and for future new-physics searches with galaxy surveys.

研究の動機と目的

• 自己相互作用ニュートリノが、ハッブル定数やS₈の緊張といった宇宙論的緊張を緩和できるかどうかを調査すること。
• 有効場理論（EFT-LSS）を用いて、遅延したニュートリノの自由流れが物質クラスタリングに与える影響をモデル化すること。
• Planck CMB、BOSSフルシェイプクラスタリング、リューマン-αフォレスト、DES弱レントゲンデータを含む、複数の宇宙論的プローブの共同尤度解析を実施すること。
• 四フェルミオン相互作用率が $\Gamma_\nu \propto G_{\mathrm{eff}}^2 T_\nu^5$ のスケーリングを示すフレーバー不変のニュートリノ自己相互作用の妥当性を検証すること。
• 自己相互作用ニュートリノ宇宙論において、ニュートリノ質量の和と有効結合定数 $G_{\mathrm{eff}}$ を制約すること。

提案手法

• 自己相互作用ニュートリノモデルにおけるやや非線形スケールでの物質パワースペクトルおよびクラスタリング統計をモデル化するために、大規模構造の有効場理論（EFT-LSS）を採用した。
• Planck CMBデータと、フルシェイプ銀河クラスタリング（BOSS）、弱レントゲン（DES）、リューマン-αフォレスト測定を統合した共同尤度解析を構築した。
• フェルミ的結合定数 $G_{\mathrm{eff}}$ を用いてニュートリノ自己相互作用をパラメータライズし、相互作用率 $\Gamma_\nu \propto G_{\mathrm{eff}}^2 T_\nu^5$ を用いて遅延した自由流れをモデル化した。
• スケール依存の抑制（ニュートリノ自己散乱による）を組み込んだ、修正されたボルツマンコードを用いて線形物質パワースペクトルを計算した。
• Nuisanceパラメータ（銀河バイアスおよびEFTパラメータ）を周辺化しながら、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いてモデルをデータにフィットした。
• 強力な相互作用モード（$G_{\mathrm{eff}} \sim 0.03\ \mathrm{MeV}^{-2}$）を、標準的な $\Lambda$CDM モデルおよび中程度の相互作用モードと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅延した自由流れを伴う自己相互作用ニュートリノモデルは、標準的な $\Lambda$CDM よりも、統合されたLSSおよびCMBデータにより良いフィットを示すか？
• RQ2 フルシェイプ銀河クラスタリング、弱レントゲン、リューマン-αフォレストデータによって制約された際、フレーバー不変のニュートリノ自己相互作用の統計的有意性は何か？
• RQ3 自己相互作用ニュートリノモデルは、ハッブル定数の緊張とS₈の緊張をどの程度軽減するか？
• RQ4 データは有効結合定数 $G_{\mathrm{eff}}$ およびニュートリノ質量の和 $\sum m_\nu$ にどのような制約を与えるか？
• RQ5 リューマン-αフォレストデータと弱レントゲンデータは、それぞれ自己相互作用ニュートリノの支持にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 全データセットにおいて、フレーバー不変のニュートリノ自己相互作用が >5σ の優位性を示し、結合定数パラメータは $\log_{10}(G_{\mathrm{eff}}\ \mathrm{MeV}^2) = -1.732 \pm 0.051$ であり、$G_{\mathrm{eff}} \sim 0.03\ \mathrm{MeV}^{-2}$ に相当する。
• リューマン-αフォレストデータが自己相互作用ニュートリノの支持の主因であり、次いでDES弱レントゲンデータが続く。
• 自己相互作用ニュートリノモデルは、ハッブル定数の緊張とS₈の緊張の両方を軽減するが、完全に解消はしない。$H_0 = 67.844_{-0.941}^{+0.864}\ \mathrm{km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}}$ および $S_8 = 0.809 \pm 0.009$ である。
• ニュートリノ質量の和は $\sum m_\nu = 0.223_{-0.073}^{+0.071}\ \mathrm{eV}$ で非ゼロを支持しており、以前の境界と整合的である。
• 最良適合の $N_{\mathrm{eff}} = 3.003_{-0.159}^{+0.136}$ は、標準模型の値3.046と整合的である。
• $G_{\mathrm{eff}}$ の周辺化事後分布は、強力な相互作用モードに強く、高有意性のピークを示しており、標準的な $\Lambda$CDM 案には顕著な支持がない。