[논문 리뷰] Constraints on decaying dark matter with DES-Y1 and external data

Angela Chen, Dragan Huterer외 82명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 09.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초기 및 후기 시기 관측 간 우주론적 긴장을 완화하기 위해 붕괴하는 어두운 물질(DDM) 모델을 조사한다. DES-Y1 3x2pt, Planck CMB, SN Ia 및 BAO 자료를 사용하여 DES-Y1에 대해 붕괴 분율 $\xi$를 68% 신뢰수준에서 <0.32로 제약하고, 통합 데이터셋에 대해 <0.037로 제약한다. 이는 $S_8$ 긴장을 2.3$\sigma$에서 1.9$\sigma$로 줄이지만 허블 긴장을 해결하지는 못한다.

ABSTRACT

We study a class of decaying dark matter models as a possible resolution to the observed discrepancies between early- and late-time probes of the universe. This class of models, dubbed DDM, characterizes the evolution of comoving dark matter density with two extra parameters. We investigate how DDM affects key cosmological observables such as the CMB temperature and matter power spectra. Combining 3x2pt data from Year 1 of the Dark Energy Survey,Planck-2018 CMB temperature and polarization data, Supernova (SN) Type Ia data from Pantheon, and BAO data from BOSS DR12, MGS and 6dFGS, we place new constraints on the amount of dark matter that has decayed and the rate with which it converts to dark radiation. The fraction of the decayed dark matter in units of the current amount of dark matter, $\zeta$, is constrained at 68% confidence level to be <0.32 for DES-Y1 3x2pt data, <0.030 for CMB+SN+BAO data, and <0.037 for the combined dataset. The probability that the DES and CMB+SN+BAO datasets are concordant increases from 4% for the $\Lambda$CDM model to 8% (less tension) for DDM. Moreover, tension in $S_8=\sigma_8\sqrt{\Omega_m/0.3}$ between DES-Y1 3x2pt and CMB+SN+BAO is reduced from 2.3$\sigma$ to 1.9$\sigma$. We find no reduction in the Hubble tension when the combined data is compared to distance-ladder measurements in the DDM model. The maximum-posterior goodness-of-fit statistics of DDM and $\Lambda$CDM are comparable, indicating no preference for the DDM cosmology over $\Lambda$CDM.

연구 동기 및 목표

• 붕괴하는 어두운 물질(DDM) 모델이 초기 및 후기 시기 우주론적 측정 간 괴리 문제를 해결할 수 있는지 조사하기.
• 어두운 물질 붕괴가 CMB 온도 및 물질 스펙트럼과 같은 주요 관측량에 미치는 영향을 정량화하기.
• 붕괴한 어두운 물질의 비율($\zeta$)과 붕괴율을 다중 탐측 자료를 통해 제약하기.
• $\Lambda$CDM 모델과 비교해 DDM 모델이 $S_8$ 및 허블 상수의 긴장을 줄이는지 평가하기.

제안 방법

• DDM 모델은 어두운 물질이 어둠의 복사로 붕괴함에 따라 공액 어두운 물질 밀도의 진화를 기술하기 위해 추가 파라미터 두 개를 도입한다.
• 분석은 DES 연도 1의 3x2pt 자료를 Planck-2018 CMB 온도 및 편광 자료와 결합한다.
• 우주론적 파라미터 제약을 향상시키기 위해 초신성 Ia(Pantheon) 및 BAO(BOSS DR12, MGS, 6dFGS) 자료가 포함된다.
• 베이지안 추론을 사용하여 여러 데이터셋에서 $\zeta$ 및 기타 파라미터를 추정하기 위해 사후 분포를 계산한다.
• 적합도 통계량을 DDM과 $\Lambda$CDM 간 비교하여 모델 선호도를 평가한다.
• 통계적 호환성 검정을 통해 DES-Y1과 CMB+SN+BAO 자료 간의 일치성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 붕괴하는 어두운 물질 모델이 DES-Y1 3x2pt와 CMB+SN+BAO 자료 간 $S_8$ 긴장을 줄이는가?
• RQ2 68% 신뢰수준에서 붕괴한 어두운 물질 비율($\zeta$)의 상한은 얼마인가?
• RQ3 거리 래퍼 측정과 비교했을 때 DDM 모델이 허블 긴장을 완화하는가?
• RQ4 통합 데이터셋에서 DDM 모델의 적합도가 $\Lambda$CDM 모델과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 DDM 모델이 초기 및 후기 시기 우주론적 탐측 간 통계적 일치도를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 단지 DES-Y1 3x2pt 자료만을 사용하여 붕괴한 어두운 물질 비율인 $\zeta$는 68% 신뢰수준에서 <0.32로 제약된다.
• CMB+SN+BAO 자료를 사용하면 $\zeta$는 68% 신뢰수준에서 <0.030로 제약된다.
• 통합 자료셋을 통해 $\zeta$는 68% 신뢰수준에서 <0.037로 제약된다.
• DDM 모델 하에서 DES-Y1와 CMB+SN+BAO 자료 간 통계적 일치도는 4%에서 8%로 향상된다.
• DDM 모델 하에서 DES-Y1 3x2pt와 CMB+SN+BAO 간 $S_8$ 긴장은 2.3$\sigma$에서 1.9$\sigma$로 감소한다.
• 거리 래퍼 측정과 비교했을 때 DDM 모델에서 허블 긴장에 대한 향상이 관측되지 않는다.