[論文レビュー] The Hubble Constant in the Axi-Higgs Universe

Leo WH Fung, Lingfeng Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超軽量なアクシオンとヒッグス場を結合する宇宙論的枠組み「axi-Higgsモデル」を提案し、宇宙論におけるハッブル定数（$H_0$）と$S_8$の両方の矛盾を同時に解消する。初期宇宙におけるヒッグス真空期待値のシフトにより、構造成長が抑制され、CMB非一様性が変化する一方、アクシオンの後期宇宙におけるエネルギー密度はハッブル定数に影響を与える。$m = 2 \times 10^{-30}$ eVのベンチマーク例では、CMB+BAO+WL+SNデータから$H_0 = 69.9 \pm 1.5$ km/s/Mpcが得られ、局所的距離-赤方偏移測定と組み合わせると$H_0 = 72.42 \pm 0.76$ km/s/Mpcとなる。両方の矛盾が解消されるとともに、$^7$Liのパズルと宇宙のバイレフリーリング現象に対しても説明が可能である。

ABSTRACT

The $Λ$CDM model provides an excellent fit to the CMB data. However, a statistically significant tension emerges when its determination of the Hubble constant $H_0$ is compared to the local distance-redshift measurements. The axi-Higgs model, which couples an ultralight axion to the Higgs field, offers a specific variation of the $Λ$CDM model. It relaxes the $H_0$ tension as well as explains the $^7$Li puzzle in Big-Bang nucleosynthesis, the clustering $S_8$ tension with the weak-lensing data, and the observed isotropic cosmic birefringence in CMB. In this paper, we demonstrate how the $H_0$ and $S_8$ tensions can be relaxed simultaneously, by correlating the axion impacts on the early and late universe. In a benchmark scenario ($m=2 imes 10^{-30}$ eV) selected for experimental tests soon, the analysis combining the CMB+BAO+WL+SN data yields $H_0 = 69.9 \pm 1.5$ km/s/Mpc and $S_8 = 0.8045 \pm 0.0096$. Combining this (excluding the SN (supernovae) part) with the local distance-redshift measurements yields $H_0 = 72.42 \pm 0.76$ km/s/Mpc, while $S_8$ is slightly more suppressed.

研究の動機と目的

• Planck CMBデータと局所的距離ラダー測定との間の持続的で$H_0$の矛盾を解消すること。
• $Λ$CDM予測と弱レンズィング観測との間の$S_8$の矛盾を同時に緩和すること。
• ヒッグス真空期待値のシフトによってビッグバン核合成における$^7$Liの過剰生成問題を説明すること。
• アクシオンと光子のチェーン＝シモンズ結合を通じて、CMBにおける観測された等方的宇宙バイレフリーリングを説明すること。
• 単一の超軽量アクシオンがその力学的ダイナミクスとエネルギーの沈殿により、初期宇宙と後期宇宙の両方に影響を与える統一的枠組みを提供すること。

提案手法

• axi-Higgsモデルは、超軽量アクシオン$a$とヒッグスダブルット$\phi$との間に結合を導入し、$V(a,\phi,\phi^\dagger) = m^2 a^2/2 + |m_s^2 F(a) - \kappa \phi^\dagger \phi|^2$というポテンシャルを定義する。ここで$F(a) = 1 + C a^2 / M_{\text{Pl}}^2$である。
• アクシオン場は初期にずれた状態$a_{\text{ini}}$から出発し、$H(z) \sim m$のときポテンシャルに従って転がり、$z \sim 1000-100$でダークマターにエネルギーを供給する。
• 宇宙論的パラメータを計算するため、5つの自由パラメータ（$\omega_b$, $\omega_c$, $h$, $\delta v_{\text{ini}}$, $\omega_a$）を用いた一次近似の摂動的アプローチを採用する。
• アクシオンの超長波長のド・ブロイ波長は、小スケールクラスタリングを抑制し、$S_8$を低下させるが、初期宇宙のフィットでは$H_0$に顕著な影響を与えない。
• CMB偏光における観測された等方的宇宙バイレフリーリングを説明するために、光子へのチェーン＝シモンズ結合をモデルに組み込む。
• パラメータ制約は、CMB（Planck）、BAO、弱レンズィング（KiDS-1000、DES）、および超新星（SN）または局所的距離-赤方偏移（DR）測定の統合データセットを用いて導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の超軽量アクシオンモデルが、同時に宇宙論における$H_0$と$S_8$の矛盾を解消できるか？
• RQ2 アクシオンの初期宇宙におけるヒッグス真空期待値への影響が、特に$^7$Liの同位体生成にどのように作用するか？
• RQ3 アクシオンの後期宇宙におけるエネルギー密度が、ハッブル定数とクラスタリングアムプリチュードをどのように変化させるか？
• RQ4 アクシオンのチェーン＝シモンズ結合が、CMBにおける観測された等方的宇宙バイレフリーリングを説明できるか？
• RQ5 $H_0$、$S_8$、$^7$Liパズル、宇宙バイレフリーリングの4つの宇宙論的パズルを同時に満たすために、アクシオンの崩壊定数$f_a$の妥当な範囲は何か？

主な発見

• $m = 2 \times 10^{-30}$ eVのベンチマーク例では、CMB+BAO+WL+SNデータにフィットした結果、$H_0 = 69.9 \pm 1.5$ km/s/Mpcが得られた。
• CMB+BAO+WL+SNの制約に局所的距離-赤方偏移測定を追加すると、$H_0 = 72.42 \pm 0.76$ km/s/Mpcとなり、$H_0$の矛盾が解消された。
• CMB+BAO+WL+SNデータから、モデルは$S_8 = 0.8045 \pm 0.0096$を予測し、KiDS-1000とDESの弱レンズィング調査で得られた低い$S_8$値と整合的である。
• 局所的DRデータを含めると、$S_8$値はわずかに$0.7964^{+0.0093}_{-0.0084}$に低下し、$S_8$の矛盾が一貫して緩和されていることが示された。
• モデルは、$f_a \sim 10^{17}-10^{18}$ GeVの崩壊定数を好むが、これは閉じたストリング理論的セクターを持つブレーン・ワールドのシナリオにおいて自然な値である。
• $H_0$、$S_8$、$^7$Liパズル、宇宙バイレフリーリングからの制約の交差により、$f_a$が$10^{17}-10^{18}$ GeVの範囲にある単一のアクシオンモデルが支持され、複数の宇宙論的矛盾に対する統一的解決策を提供している。