[論文レビュー] Ultra-light axions and the $S_8$ tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering

Keir K. Rogers, Renée Hložek+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

この論文は Planck の CMB データと BOSS の銀河クラスタリングを同時に解析し、超軽量アクシオン（質量範囲 10^{-32} eV 〜 10^{-24} eV）を制約するとともに、小規模構造を抑制することによって S8 の緊張を緩和する potential を評価する。アクシオンの密度に関する厳密な限界を見出し、アクシオンが CMB–LSS の整合性を控えめに改善できる窓を特定する。

ABSTRACT

We search for ultra-light axions as dark matter (DM) and dark energy particle candidates, for axion masses $10^{-32}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-24}\,\mathrm{eV}$, by a joint analysis of cosmic microwave background (CMB) and galaxy clustering data -- and consider if axions can resolve the tension in inferred values of the matter clustering parameter $S_8$. We give legacy constraints from Planck 2018 CMB data, improving 2015 limits on the axion density $Ω_\mathrm{a} h^2$ by up to a factor of three; CMB data from the Atacama Cosmology Telescope and the South Pole Telescope marginally weaken Planck bounds at $m_\mathrm{a} = 10^{-25}\,\mathrm{eV}$, owing to lower (and theoretically-consistent) gravitational lensing signals. We jointly infer, from Planck CMB and full-shape galaxy power spectrum and bispectrum data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), that axions are, today, $< 10\%$ of the DM for $m_\mathrm{a} \leq 10^{-26}\,\mathrm{eV}$ and $< 1\%$ for $10^{-30}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-28}\,\mathrm{eV}$. BOSS data strengthen limits, in particular at higher $m_\mathrm{a}$ by probing high-wavenumber modes ($k < 0.4 h\,\mathrm{Mpc}^{-1}$). BOSS alone finds a preference for axions at $2.7 σ$, for $m_\mathrm{a} = 10^{-26}\,\mathrm{eV}$, but Planck disfavours this result. Nonetheless, axions in a window $10^{-28}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-25}\,\mathrm{eV}$ can improve consistency between CMB and galaxy clustering data, e.g., reducing the $S_8$ discrepancy from $2.7 σ$ to $1.6 σ$, since these axions suppress structure growth at the $8 h^{-1}\,\mathrm{Mpc}$ scales to which $S_8$ is sensitive. We expect improved constraints with upcoming high-resolution CMB and galaxy lensing and future galaxy clustering data, where we will further assess if axions can restore cosmic concordance.

研究の動機と目的

• 10^{-32} eV ≤ m_a ≤ 10^{-24} eV の範囲でダークマターまたはダークエネルギー候補としての超軽量アクシオンを探索する。
• Planck 2018、ACT、SPT、BOSS データを用いて Ω_a h^2 へのアクシオン寄与を定量化する。
• CMB と大規模構造データ間の S8 緊張をアクシオンが低減できるか評価する。
• LSS の EFT（有効場論）を用いた mildly non-linear スケールまでのモデリングを拡張し、銀河力スペクトルとビスpectrum を含む。
• アクシオンの質量と密度に関する共同制約を提供し、宇宙の整合性への含意を議論する。

提案手法

• 線形理論に加え、m_a が z_eq 付近以下の場合には有効流体描述を用いてアクシオンをモデル化し、axionCAMB で線形摂動を扱う。
• CLASS-PT を用いたLSSの非線形 EFT（EFT of LSS）を組み込み、P_ℓ(k,z) および B_0(k1,k2,k3) を銀河クラスタリングのモデリングに用いる。
• Planck、ACT-DR4、SPT-3G データを含む CMB におけるアクシオン効果を評価し、φφ のレンズ劔も考慮する。
• 全形状の BOSS 銀河力スペクトルとビスpectrum のモノポール、再構成された実空間力スペクトル Q0(k,z) および Alcock-Paczynski パラメータ α_∥、α_⊥ を用いる。
• EFT のノイズ項（バイアス、カウンター項、確率項）および背景と線形力スペクトルへのアクシオン由来の改変を周辺化する。
• データと比較する際には赤方偏移のREDWIR と AP の歪みを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 指定された範囲の質量を持つ超軽量アクシオンは CMB および銀河クラスタリングデータと矛盾せずに Ω_a h^2 に非無視的な寄与を示すことができるか？
• RQ2 超軽量アクシオンは小尺度のパワーを十分抑制して CMB と大規模構造の S8 緊張を低減できるか？
• RQ3 Planck、ACT、SPT、BOSS データを組み合わせた場合のアクシオン質量 m_a および密度 Ω_a h^2 の共同制約はどうなるか？
• RQ4 アクシオンが CMB–LSS の整合性を改善する質量窓はあるが、他の宇宙論的観測を悪化させないか？
• RQ5 線形理論だけと比べて non-linear modelling および EFT of LSS は推定されるアクシオン境界にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• Planck 2018 の境界は、ACT および SPT によって一部の領域で強化され、今日のアクシオン密度は複数の質量に対して支配的ではないことを示す（例：m_a ≤ 10^{-26} eV の場合 DM の <10%、10^{-30} eV ≤ m_a ≤ 10^{-28} eV の場合 <1%）。
• BOSS データはフルシェイプ解析を通じて k < 0.4 h/Mpc を探査し、高質量領域で制限を強化する。
• BOSS のみでは m_a = 10^{-26} eV でアクシオンに対して 2.7σ の偏りを示すが、Planck を組み合わせるとこの結果は不適合となる。
• 窓域の 10^{-28} eV ≤ m_a ≤ 10^{-25} eV のアクシオンは、小規模構造の成長を抑制することにより S8 の不一致を約 2.7σ から約 1.6σ に低減できる。
• アクシオンは S8 に関連する 8 h^{-1} Mpc スケールの構造成長を抑制し、CMB と銀河クラスタリングデータの整合性回復の可能性を提供する。
• 将来の高解像度 CMB レンズ効果観測と銀河サーベイはこれらの制約をさらに絞り込み、アクシオン駆動の協和性回復をより厳しく検証することが期待される。