[論文レビュー] The two-mode puzzle: Confronting self-interacting neutrinos with the full shape of the galaxy power spectrum

David Camarena, Francis-Yan Cyr-Racine+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、物質-放射均衡に近い時期まで自由飛行が遅れる自己相互作用ニュートリノを、銀河パワースペクトルの全形状を用いて宇宙論的モデルで制約する。標準的ΛCDMモデルよりもわずかにこのシナリオに傾倒するが、やや非線形な銀河クラスタリングデータに起因し、新しいニュートリノ相互作用がCMBデータに依存せずに大規模構造観測と整合的である可能性を示唆する。

ABSTRACT

A cosmological scenario in which the onset of neutrino free streaming in the early Universe is delayed until close to the epoch of matter-radiation equality has been shown to provide a good fit to some cosmic microwave background (CMB) data, while being somewhat disfavored by Planck CMB polarization data. To clarify this situation, we investigate in this paper CMB-independent constraints on this scenario from the Full Shape of the galaxy power spectrum. Although this scenario predicts significant changes to the linear matter power spectrum, we find that it can provide a good fit to the galaxy power spectrum data. Interestingly, we show that the data display a modest preference for a delayed onset of neutrino free streaming over the standard model of cosmology, which is driven by the galaxy power spectrum data on mildly non-linear scales. This conclusion is supported by both profile likelihood and Bayesian exploration analyses, showing robustness of the results. Compared to the standard cosmological paradigm, this scenario predicts a significant suppression of structure on subgalactic scales. While our analysis relies on the simplest cosmological representation of neutrino self-interactions, we argue that this persistent - and somehow consistent - picture in which neutrino free streaming is delayed motivates the exploration of particle models capable of reconciling all CMB, large-scale structure, and laboratory data.

研究の動機と目的

• 自己相互作用ニュートリノが物質-放射均衡に近い時期まで自由飛行を遅らせるかどうかが、大規模構造データを用いて制約可能かどうかを検証すること。
• 銀河パワースペクトルがCMBデータとは独立して、このようなシナリオの証拠を提供するかどうかを評価すること。
• プロファイル尤度およびベイジアン手法を用いて、遅延自由飛行シナリオの妥当性を検証すること。
• このモデルがビッグバン核合成（BBN）および大規模構造観測と整合するかどうかを評価すること。
• CMB、LSS、および実験的制約を統合できるより複雑なニュートリノ相互作用モデルの開発を促すこと。

提案手法

• ニュートリノ自己相互作用モデルを制約するために、銀河パワースペクトルの全形状（FS）を宇宙論的観測量として用いる。
• フェルミオン4粒子相互作用モデルを用い、ニュートリノ自己相互作用を結合定数 $ G_{\mathrm{eff}} $ でパラメータライズする。
• ニュートリノ自由飛行の開始が遅れる現象論的モデルを適用し、線形物質パワースペクトルに影響を与える。
• FSデータとBBN制約を組み合わせることで、宇宙論的パラメータ推定を改善する。
• プロファイル尤度およびベイジアンモデル比較を実施し、自己相互作用ニュートリノ（SI ν）シナリオの証拠を評価する。
• ニュートリノ質量の合計を $ \Sigma m_{\nu} = 0.06 $ eV で固定するが、自由質量解析による妥当性を検証する。

Figure 1: Modes crossing the horizon during the neutrino tight-coupling era, $k^{\rm tc}_{\rm h}$ , the onset of free streaming, $k^{\rm fs}_{\rm h}$ , and well after the self-decoupling, $k_{\rm h}$ , as functions of the self-interaction coupling $G_{\mathrm{eff}}$ . The gray gradient represents th

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河パワースペクトルの全形状は、自己相互作用によるニュートリノ自由飛行の遅れに関する証拠を示すか？
• RQ2 SI νシナリオは、銀河クラスタリングデータのフィットにおいて標準的ΛCDMモデルと比べてどのように異なるか？
• RQ3 プロファイル尤度およびベイジアン推論といった異なる統計的手法において、自由飛行の遅れに対する好みが一貫しているか？
• RQ4 SI νモデルは、CMB偏光制約に矛盾しないまま、BBNおよび大規模構造データと整合することができるか？
• RQ5 このシナリオは、初期スケールスペクトルの振幅 $ A_{\rm s} $ および傾き $ n_{\rm s} $ にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 銀河パワースペクトルデータは、標準的ΛCDMモデルよりもわずかに自己相互作用ニュートリノ（SI ν）シナリオに傾倒しており、これはやや非線形スケールに起因する。
• プロファイル尤度およびベイジアンモデル比較の両方において、この好みが一貫しており、結果の整合性と信頼性を示している。
• SI νモデルは、ΛCDMと比較して、小銀河スケールでの構造形成が顕著に抑制されることを予測する。
• このモデルは、ΛCDMと比較して初期スケールスペクトルの振幅 $ A_{\rm s} $ および傾き $ n_{\rm s} $ がわずかに小さいが、差は小さい。
• ニュートリノ質量の合計を $ \Sigma m_{\nu} = 0.06 $ eV で固定しても、$ G_{\mathrm{eff}} $、$ N_{\mathrm{eff}} $、$ H_0 $、$ \sigma_8 $ の制約にバイアスは生じないことが確認され、分析の選択が妥当であることが裏付けられた。
• 結果から、SI νの信号は、定数の自由飛行率に基づく標準的位相シフトテンプレートでは捉えきれない可能性があり、時間に依存するモデルの必要性が示唆される。

Figure 2: Linear matter power spectrum (top panel) for the $\Lambda\mathrm{CDM}+N_{\mathrm{eff}}$ cosmology and the self-interacting neutrino model with different values of $G_{\mathrm{eff}}$ . The ratios of the latter with the $\Lambda\mathrm{CDM}+N_{\mathrm{eff}}$ model are shown in the bottom pan