[論文レビュー] Self-interacting neutrinos, the Hubble parameter tension, and the Cosmic Microwave Background

Thejs Brinckmann, Jae Hyeok Chang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 158被引用数 97

ひとこと要約

この論文は、Planck 2018 CMBおよびBAOデータを用いて、自己相互作用するニュートリノがハッブルパラメータの不一致を緩和できるかどうかを調査している。全自己相互作用、2つの自由流れニュートリノ、可変な相互作用分率、可変な効果的ニュートリノ種の4つのシナリオを検討した結果、新たなニュートリノ相互作用の明確な証拠は得られず、すべてのモデルが自由流れ粒子の可変なNeffよりもハッブル不一致を軽減できないことが判明した。

ABSTRACT

We perform a comprehensive study of cosmological constraints on non-standard neutrino self-interactions using cosmic microwave background (CMB) and baryon acoustic oscillation data. We consider different scenarios for neutrino self-interactions distinguished by the fraction of neutrino states allowed to participate in self-interactions and how the relativistic energy density, N$_{ extrm{eff}}$, is allowed to vary. Specifically, we study cases in which: all neutrino states self-interact and N$_{ extrm{eff}}$ varies; two species free-stream, which we show alleviates tension with laboratory constraints, while the energy in the additional interacting states varies; and a variable fraction of neutrinos self-interact with either the total N$_{ extrm{eff}}$ fixed to the Standard Model value or allowed to vary. In no case do we find compelling evidence for new neutrino interactions or non-standard values of N$_{ extrm{eff}}$. In several cases we find additional modes with neutrino decoupling occurring at lower redshifts $z_{ extrm{dec}} \sim 10^{3-4}$. We do a careful analysis to examine whether new neutrino self-interactions solve or alleviate the so-called $H_0$ tension and find that, when all Planck 2018 CMB temperature and polarization data is included, none of these examples ease the tension more than allowing a variable N$_{ extrm{eff}}$ comprised of free-streaming particles. Although we focus on neutrino interactions, these constraints are applicable to any light relic particle.

研究の動機と目的

• 自己相互作用するニュートリノがハッブルパラメータの不一致を解消できるかどうかを評価すること。
• CMBおよびBAOデータを用いて、標準的でないニュートリノの自己相互作用を制約すること。
• 自己相互作用するニュートリノ状態の数や効果的相対論的自由度（Neff）が変化するシナリオを検討すること。
• 遅れて脱結合するニュートリノ相互作用がCMB非一様性に与える影響を評価すること。
• このようなモデルが、晩期宇宙論的プローブにおけるS8不一致を悪化させるか、緩和するかを特定すること。

提案手法

• 主観的観測入力として、Planck 2018の温度および偏光CMBデータを用いる。
• 宇宙論的摂動理論を用いて、ニュートリノの自己相互作用およびCMBパワースペクトルへの影響をモデル化する。
• 4つの異なるシナリオを検討する：可変なNeffを伴う完全な自己相互作用、可変な相互作用状態を伴う2つの自由流れニュートリノ、固定されたNeffと可変な自己相互作用分率、および可変なNeffと分率の両方を組み合わせたもの。
• モデルパラメータを制約するために、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いる。
• 制約を強化するために、BOSSおよびDESのBAOデータをモデル予測と比較する。
• 追加のニュートリノ相互作用モードの脱結合赤方偏移（zdec ~ 10^3–10^4）を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準モデルと比較して、自己相互作用するニュートリノはハッブルパラメータの不一致を軽減できるか？
• RQ2 2つの自由流れニュートリノを伴うシナリオは、新しい相互作用に関する実験的制約と整合性を保っているか？
• RQ3 Neffを標準模型の値（3.046）に固定したが、自己相互作用するニュートリノの割合が変化する場合、どのような制約が得られるか？
• RQ4 可変なNeffと可変な自己相互作用分率を併せ持つモデルは、自由流れNeffと比較してハッブル不一致の緩和に優れているか？
• RQ5 これらの自己相互作用モデルは、晩期宇宙論的プローブにおけるS8不一致を悪化させるか？

主な発見

• 検討した4つのすべてのシナリオにおいて、新たなニュートリノ自己相互作用の明確な証拠は得られなかった。
• いくつかのケースでは、脱結合赤方偏移 zdec ≈ 10^3–10^4 の追加のニュートリノ相互作用モードが推定された。
• すべてのPlanck 2018 CMBデータを含めた場合、自己相互作用モデルは自由流れ粒子の可変なNeffよりもハッブル不一致を軽減できないことが判明した。
• 2つの自由流れニュートリノ状態を伴うシナリオは、新しい相互作用に関する実験的制約との整合性を高めた。
• 可変なNeffと自己相互作用分率を併せ持つモデルは、ハッブル不一致の解消において、標準的な自由流れNeffを上回ることはなかった。
• 軽量のレリック粒子に対する制約は、すべてのケースに共通する。これは、効果が重力的であり、エネルギー密度と脱結合赤方偏移にのみ依存するためである。