[논문 리뷰] Constraining decaying dark matter with BOSS data and the effective field theory of large-scale structures

Théo Simon, Guillermo Franco Abellán외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 174인용 수 72

한 줄 요약

이 논문은 BOSS-DR12 데이터에 적용된 대규모 구조의 효과적 장이 те오리(Effective Field Theory of Large-Scale Structures, EFTofLSS)를 사용하여, 붕괴하는 어두운 물질 모델에서 경미하게 비선형인 은하 스펙트럼을 처음으로 계산한다. 두 모델—CDM가 어두운 복사(DR)로 붕괴하는 것과 CDM가 DR에 더해 질량이 있는 따뜻은 어두운 물질(WDM)으로 붕괴하는 것—을 제약하여, EFTofBOSS 데이터가 CDM 수명에 대한 제약을 특히 S8 사전정보(KiDS-1000에서 유래)와 함께 사용할 경우 크게 향상됨을 보여주며, S8 갈등을 해결하는 데 유리한 장수명(τ ≈ 120 Gyr)을 선호한다.

ABSTRACT

We update cosmological constraints on two decaying dark matter models in light of BOSS-DR12 data analyzed under the Effective Field Theory of Large-Scale Structures (EFTofLSS) formalism, together with Planck, Pantheon and other BOSS measurements of the baryonic acoustic oscillation (BAO). In the first model, a fraction $f_{ m dcdm}$ of cold dark matter (CDM) decays into dark radiation (DR) with a lifetime $ au$. In the second model (recently suggested as a potential resolution to the $S_8$ tension), all the CDM decays with a lifetime $ au$ into DR and a massive warm dark matter (WDM) particle, with a fraction $\varepsilon$ of the CDM rest mass energy transferred to the DR. Using numerical codes from the recent literature, we perform the first calculation of the mildly non-linear (matter and galaxy) power spectra with the EFTofLSS for these two models. In the case of DR products, we obtain the constraints $f_{ m dcdm}\lesssim0.022$ (95\% C.L.) for lifetimes shorter than the age of the universe, and $ au/f_{ m dcdm} \gtrsim 250$ Gyr in the long-lived regime assuming $f_{ m dcdm} o1$. We show that Planck data contributes the most to these constraints, with EFTofBOSS providing a marginal improvement over conventional BAO and redshift space distortions ($f\sigma_8$) data. In the case of DR and WDM decay products, we find that EFTofBOSS data significantly improves the constraints at 68\% C.L. on the CDM lifetime with a $S_8$ prior from KiDS-1000. We show that, in order to fit EFTofBOSS data while lowering $S_8$ to match KiDS-1000, the best-fit model has a longer lifetime $ au = 120$ Gyr, with a larger kick velocity $v_{ m kick}/c \simeq \varepsilon \simeq 1.2\%$, than that without EFTofBOSS ($ au = 43$ Gyr, $\varepsilon =0.6\%$). We anticipate that future surveys will provide exquisite constraints on such models.

연구 동기 및 목표

• EFTofLSS 형식을 사용하여 붕괴하는 어두운 물질 모델에서 경미하게 비선형인 물질 및 은하 스펙트럼을 처음으로 계산하는 것.
• EFTofLSS를 통해 BOSS 데이터를 분석할 경우, 전통적인 BAO 및 fσ8 데이터에 비해 붕괴하는 어두운 물질 모델에 대한 우주론적 제약이 향상되는지 테스트하는 것.
• 붕괴하는 어두운 물질 모델이 S8 갈등을 해결할 수 있는지 평가하며, 특히 KiDS-1000에서 유래한 S8 사전정보와 함께 사용할 경우를 중심으로 한다.
• Planck CMB 데이터와 EFTofBOSS의 역할을 평가하여 붕괴 파라미터, 즉 수명 τ 또는 분율 fdcdm 또는 에너지 분율 ε의 제약에 기여하는 정도를 분석하는 것.

제안 방법

• 비선형 보정을 위한 커텀터항을 포함한, 적색편이 공간에서의 전체 형태 은하 스펙트럼을 모델링하기 위해 EFTofLSS 형식을 사용한다.
• 최근 문헌에서 유래한 수치 코드를 활용하여 두 가지 DCDM 모델—CDM → DR 및 CDM → WDM + DR—에 대해 경미하게 비선형인 물질 및 은하 스펙트럼을 계산한다.
• Planck CMB, BOSS-DR12 BAO, fσ8, Pantheon SNIa 및 KiDS-1000 S8 데이터를 사용하여 모델 파라미터를 제약하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 분석을 수행한다.
• EFTofLSS 데이터를 BOSS에 통합하여 CDM 붕괴 수명 τ 및 붕괴 분율 fdcdm 또는 에너지 이행 분율 ε에 대한 제약을 향상시킨다.
• 공개된 코드인 MontePython 및 CLASS를 사용하여 EFTofLSS 보정을 포함한 우주론적 파라미터 추론을 수행한다.
• EFTofBOSS의 영향을 분리하기 위해 EFTofBOSS 유무에 따라 결과를 비교하며, 특히 S8 갈등에 대한 영향을 중심으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전통적인 BAO 및 fσ8 데이터에 비해 EFTofLSS 형식이 붕괴하는 어두운 물질 모델에 대한 제약을 향상시키는가?
• RQ2 CDM → DR 모델에서 CDM 붕괴 수명 τ 및 붕괴 분율 fdcdm에 대한 제약는 무엇이며, 특히 우주의 연령과 유사하거나 이를 상회하는 수명일 경우 어떻게 되는가?
• RQ3 EFTofBOSS 데이터가 포함되었을 때 CDM → WDM + DR 모델에 대한 제약는 어떻게 변화하는가? 특히 S8 갈등 해결의 맥락에서 설명한다.
• RQ4 질량이 있는 붕괴 생성물을 가진 붕괴하는 어두운 물질 모델이 σ8를 낮추어 KiDS-1000의 낮은 S8 값과 일치시킬 수 있는가? 어떤 붕괴 파라미터가 유리한가?
• RQ5 Planck CMB 데이터는 제약에 얼마나 기여하는가? EFTofBOSS는 어떤 정도의 보완적 개선을 제공하는가?

주요 결과

• CDM → DR 모델에서, 우주의 연령보다 짧은 수명일 경우, 95% 신뢰수준에서 fdcdm ≲ 0.022의 제약이 도출된다.
• 장수명 영역(fdcdm → 1)에서는 τ/fdcdm ≳ 250 Gyr의 제약이 도출되어 매우 장수명의 CDM 수명을 시사한다.
• EFTofBOSS 데이터는 CDM → DR 모델에서 전통적인 BAO 및 fσ8 데이터에 비해 약간의 개선을 제공하며, 제약의 주요 기여자는 Planck CMB 데이터이다.
• CDM → WDM + DR 모델에서, EFTofBOSS 데이터는 KiDS-1000 S8 사전정보와 함께 사용할 경우 68% 신뢰수준에서 CDM 수명 τ에 대한 제약을 크게 향상시킨다.
• KiDS-1000의 낮은 S8 값을 일치시키기 위해, 최적의 맞춤 모델은 τ = 120 Gyr 및 vkick/c ≃ ε ≃ 1.2%의 더 큰 반동 속도를 요구하며, EFTofBOSS 없이 사용할 경우 τ = 43 Gyr 및 ε = 0.6%로 제약된다.
• 향후 설문조사가 붕괴하는 어두운 물질 모델, 특히 S8 갈등을 해결하는 데 초점을 맞춘 모델에 대해 더욱 강력한 제약을 제공할 것으로 기대된다.