[논문 리뷰] Cold New Early Dark Energy pulls the trigger on the $H_0$ and $S_8$ tensions: a simultaneous solution to both tensions without new ingredients

Juan S. Cruz, Florian Niedermann외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 86인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 Cold NEDE가 암흑물질에 작은 트리거 필드 기여를 갖고도 새로운 구성 요소를 도입하지 않으면서 H0 및 S8 긴장을 동시에 완화할 수 있음을 보이며, 선호되는 NEDE 분수는 약 0.134, H0는 약 71.7 km/s/Mpc, S8은 약 0.793에 이른다.

ABSTRACT

In this work, we show that the Cold New Early Dark Energy (Cold NEDE) model in its original form can solve both the Hubble tension and the $S_8$ tension without adding any new ingredients at the fundamental level. So far, it was assumed that the trigger field in the Cold NEDE model is completely subdominant. However, relaxing this assumption and letting the trigger field contribute a mere $0.5\%$ of the total energy density leads to a resolution of the $S_8$ tension while simultaneously improving it as a solution to the $H_0$ tension. Fitting this model to baryonic acoustic oscillations, large-scale-structure, supernovae (including a SH0ES prior), and cosmic microwave background data, we report a preferred NEDE fraction of $f_\mathrm{NEDE}= 0.134^{+0.032}_{-0.025}$ ($68\%$ C.L.), lifting its Gaussian evidence for the first time above $5σ$ (up from $4 σ$ when the trigger contribution to dark matter is negligible). At the same time, we find the new concordance values $H_0 = 71.71 \pm 0.88 \,\mathrm{km}\, \mathrm{sec}^{-1}\, \mathrm{Mpc}^{-1}$ and $S_8 = 0.793 \pm 0.018$. Excluding large-scale structure data and the SH$_0$ES prior, both Gaussian tensions are reduced below the $2 σ$ level.

연구 동기 및 목표

• LambdaCDM 내에서 H0와 S8 긴장을 동기부여하고, NEDE를 동시 해결책으로 탐구한다.
• 트리거 필드 에너지 밀도의 무시할 수 있는 가정의 완화를 통해 두 긴장을 모두 해결할 수 있는지 조사한다.
• 작은 트리거 필드 암흑 물질 분량이 우주론적 관측치와 매개변수 제약에 어떤 영향을 미치는지 정량화한다.
• NEDE 위상 전이 이후 트리거 필드 섭동을 추적하기 위한 업데이트된 TriggerCLASS 구현을 제공한다.

제안 방법

• Omega_phi를 자유 매개변수로 두고 비무시 가능한 트리거 필드 에너지 밀도를 가진 차가운 NEDE를 확장한다.
• NEDE 위상 전이를 롤링하여 터널링을 유도하는 초경량 필드 phi에 의해 촉발되는 1차 상전으로 모델링한다.
• 업데이트된 볼츠만 코드 TriggerCLASS를 사용하여 전이 후 트리거 필드와 그 섭동을 추적하여 선형 섭동을 계산한다.
• 전이 후 급속한 진동을 다루기 위해 초경량 트리거에 대해 효과적 유체 설명을 사용한다.
• BAO, LSS, SN (SH0ES 사전 포함), CMB 데이터에 모델을 피팅하여 f_NEDE, H0 및 S8을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비무시 가능한 트리거 필드 에너지 밀도를 가진 Cold NEDE가 H0와 S8 긴장을 동시에 완화할 수 있는가?
• RQ2 Omega_phi가 0이 아닌 허용될 때 선호하는 NEDE 분수 에너지 밀도 f_NEDE은 무엇인가?
• RQ3 우주론적 적합에서 트리거 필드 섭동을 포함할 때 H0와 S8 제약은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 데이터에 비추어 트리거 필드 질량 스케일과 그 UV 완성에 대한 시사점은 무엇인가?
• RQ5 NEDE 유체의 상태방정식과 섭동에 대한 모델링 선택에 대해 NEDE 예측의 강건성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 비제로 트리거 필드 DM 분수는 f_NEDE = 0.134^{+0.032}_{-0.025} (68% CL), 가우시안 증거가 5σ를 넘습니다.
• 모형은 H0 = 71.71 ± 0.88 km/s/Mpc 및 S8 = 0.793 ± 0.018를 선호한다.
• LSS 데이터와 SH0ES 사전 값을 제외하면 H0와 S8 긴장이 각각 약 2σ 미만으로 감소한다.
• LSS 및 SH0ES 사전 값을 포함하면 긴장이 감소된 상태를 유지하면서도 LSS와 호환된다.
• 이 접근법은 Cold NEDE 프레임워크 외에 새로운 구성 요소를 추가하지 않고 두 긴장을 동시에 해결한다.