[논문 리뷰] Cosmological direct detection of dark energy

Sunny Vagnozzi, Luca Visinelli외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 27.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 어두운 에너지가 바리온과 운동량 교환을 통해 직접 상호작용할 수 있는지 조사하며, 효과적 보른볼츠만 방정식을 통해 상호작용을 모델링한다. 밀리반 수준의 큰 교차단면에도 불구하고, CMB 및 물질 스펙트럼에 미치는 영향은 극히 미미하다—저다중극수에서의 백분율 이하의 영향은 천체배경편차에 의해 압도당한다—따라서 이러한 산산이 분산를 통한 어두운 에너지의 직접 우주론적 탐지 가능성은 매우 낮다. 즉, 선형 차수에서도 매우 낮다.

ABSTRACT

We consider the possibility that dark energy and baryons might scatter off each other. The type of interaction we consider leads to a pure momentum exchange, and does not affect the background evolution of the expansion history. We parametrize this interaction in an effective way at the level of Boltzmann equations. We compute the effect of dark energy-baryon scattering on cosmological observables, focusing on the Cosmic Microwave Background (CMB) temperature anisotropy power spectrum and the matter power spectrum. Surprisingly, we find that even huge dark energy-baryon cross-sections $\sigma_{xb} \sim {\cal O}({ m b})$, which are generically excluded by non-cosmological probes such as collider searches or precision gravity tests, only leave an insignificant imprint on the observables considered. In the case of the CMB temperature power spectrum, the only imprint consists in a sub-percent enhancement or depletion of power (depending whether or not the dark energy equation of state lies above or below $-1$) at very low multipoles, which is thus swamped by cosmic variance. These effects are explained in terms of differences in how gravitational potentials decay in the presence of a dark energy-baryon scattering, which ultimately lead to an increase or decrease in the late-time integrated Sachs-Wolfe power. Even smaller related effects are imprinted on the matter power spectrum. The imprints on the CMB are not expected to be degenerate with the effects due to altering the dark energy sound speed. We conclude that, while strongly appealing, the prospects for a direct detection of dark energy through cosmology do not seem feasible when considering realistic dark energy-baryon cross-sections. As a caveat, our results hold to linear order in perturbation theory.

연구 동기 및 목표

• 우주 플라즈마 내 어두운 에너지가 바리온과 산산이 분산되는 것을 통해 직접 탐지 가능한지 탐색하기.
• 그러한 상호작용이 CMB 온도 이방이성 및 물질 스펙트럼과 같은 우주론적 관측량에 측정 가능한 인상을 남기는지 평가하기.
• collider 및 정밀 중력 실험과 같은 비우주론적 탐측 결과로부터의 제약 조건을 고려할 때 어두운 에너지의 우주론적 직접 탐지 가능성 평가하기.
• 어두운 에너지-바리온 산산이 분산의 영향이 음속과 같은 다른 어두운 에너지 매개변수와 기능적으로 일치하는지 평가하기.

제안 방법

• 우주론적 편미분에 대해 효과적 보른볼츠만 프레임워크 내에서 어두운 에너지-바리온 상호작용을 운동량 교환 과정으로 모델링하기.
• 배경 팽창 역사가 유지되는 산산이 분산 항을 포함한 수정된 보른볼츠만 방정식 유도하기.
• 선형 편미분 이론을 사용하여 CMB 온도 스펙트럼 스펙트럼 및 물질 스펙트럼에 미치는 영향 계산하기.
• 산산이 분산로 인해 중력 포텐셜의 감쇠가 변화함에 따라 후기 시기 통합 사크스-월프 효과에 미치는 영향 분석하기.
• 비우주론적 제약 조건과 일치하는 O(millibarn) 수준까지 변화하는 교차단면 σ_xb에 대한 관측량의 민감도 평가하기.
• 어두운 에너지 음속 변화에 의한 영향과 비교하여 기능적 일치 여부 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 에너지-바리온 산산이 분산이 CMB 온도 이방이성 스펙트럼에 감지 가능한 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ2 매우 큰 어두운 에너지-바리온 교차단면, 즉 O(millibarn) 수준이더라도 CMB 및 물질 스펙트럼과 같은 우주론적 관측량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어두운 에너지-바리온 산산이 분산의 인상이 어두운 에너지 음속 변화와 기능적으로 일치하는가?
• RQ4 후기 시기 통합 사크스-월프 효과가 이러한 산산이 분산의 관측 가능한 영향을 어떻게 매개하는가?
• RQ5 강한 교차단면에도 불구하고 우주론적 관측량에 미치는 영향이 왜 이렇게 미미한가?

주요 결과

• O(millibarn) 수준의 어두운 에너지-바리온 교차단면이 있더라도, CMB 온도 스펙트럼에 미치는 영향은 백분율 이하이며, 매우 낮은 다중극수에 국한된다.
• 어두운 에너지 상태방정식이 -1보다 높거나 낮은지에 따라 후기 시기 통합 사크스-월프 효과 변화로 인해 CMB 스펙트럼에 약간의 강화 또는 감소가 발생한다.
• 이러한 CMB 영향은 천체배경편차에 의해 압도되어 현재 또는 가까운 미래의 데이터로는 관측 불가능하다.
• 물질 스펙트럼에 미치는 관련 영향은 더욱 작고 탐지 가능성은 무시할 수 있다.
• 산산이 분산에 의한 수정 효과는 어두운 에너지 음속 변화와 기능적으로 일치하지 않으며, 독립적인 물리적 신호임을 시사한다.
• 결과적으로, 현실적인 교차단면 조건 하에서도 선형 편미분 이론 차수에서도 어두운 에너지의 바리온 산산이 분산을 통한 직접 우주론적 탐지는 실현 가능성이 없다.