[논문 리뷰] Could the Hubble Tension be Pointing Towards the Neutrino Mass Mechanism?

Miguel Escudero|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 03.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 11인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 허블 장애—로컬 측정치와 CMB 기반 H₀ 측정치 간의 괴리—가 유형-I 시즈모드 메커니즘에서의 자발적 렙톤 수 위반에 기인하는 페시도골드스톤 보손인 메이저론에 의해 해결될 수 있는지 조사한다. 이 논문은 플랑크 CMB 자료가 메이저론-중성자기여 상호작용을 λ ~ 10⁻¹³ 수준으로 약하게 제약함을 보이며, 메이저론+추가 어두운 복사 모형이 허블 장애를 4.4σ에서 2.5σ로 감소시킴으로써 전자기적 스케일의 렙톤 수 위반과 일치하는 선호되는 매개변수 영역을 제공한다.

ABSTRACT

Local measurements of the Hubble constant currently disagree with the high-precision value that is inferred from the CMB under the assumption of a $Λ$CDM cosmology. The significance of this tension clearly motivates studying extensions of the standard cosmological model capable of addressing this outstanding issue. Broadly speaking, models that have been successful in reducing the the tension between the CMB and local measurements (without introducing additional tension in other datasets) require an additional component of the energy density in the Universe at a time close to recombination. In this contribution, I will show that the Majoron -- a pseudo-Goldstone boson arising from the spontaneous breaking of a global lepton number symmetry and often associated with the neutrino mass mechanism -- can help to reduce the Hubble tension. Importantly, I will also show that current CMB observations can constrain neutrino-Majoron couplings as small as $10^{-13}$, which within the type-I seesaw mechanism correspond to scales of lepton number breaking as high as $\sim 1\, ext{TeV}$.

연구 동기 및 목표

• 허블 장애—로컬 측정치와 CMB 기반 H₀ 측정치 간의 괴리—가 ΛCDM를 초월하는 물리학에 의해 해결될 수 있는지 조사하기 위해.
• 유형-I 시즈모드 메커니즘 내에서 자발적 렙톤 수 대칭 위반에 기인하는 페시도골드스톤 보손인 메이저론의 천체물리적 영향을 검토하기 위해.
• 메이저론-중성자기여 상호작용과 추가 어두운 복사가 동시에 허블 장애를 완화하고 플랑크 CMB 관측과 일치하는지 테스트하기 위해.
• 현재 CMB 자료, 특히 플랑크 유산 관측을 통해 메이저론-중성자기여 상호작용 강도와 메이저론 질량을 제약하기 위해.

제안 방법

• 이 연구는 자발적 U(1)ₗ 전역 대칭 위반에 기인하는 메이저론 장 φ를 포함하는 천체물리 모형을 사용하며, 케이블형 상호작용 라그랑지안: ℒ_int = i(λ/2)φν̄γ₅ν를 통해 중성자기와 결합된다.
• 메이저론은 λ ≈ 2mν/vL 정도의 강도로 중성자기와 상호작용하며, 이는 중성자기 질량과 vL에 의해 억제된다.
• 재결합 이전의 팽창률을 증가시키기 위해 ΔNₑff로 표현되는 추가 어두운 복사 성분을 포함한다.
• 플랑크 2018 CMB 자료와 BAO 자료를 사용하여 메이저론+ΔNₑff 모형의 매개변수 공간을 제약하기 위해 전체 MCMC 베이지안 분석을 수행한다.
• 메이저론-중성자기 상호작용 존재 시 효과적인 상대론적 입자 종류 수의 변화와 CMB 스펙트럼, 특히 렌즈 효과 및 온도 비균일성 특성의 변화를 평가한다.
• 플랑크 자료에 대한 메이저론+ΔNₑff 모형의 적합도를 표준 ΛCDM+ΔNₑff 모형과 비교하여 허블 장애 감소의 유의미함을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유형-I 시즈모드 메커니즘에서 기인하는 메이저론이 플랑크 CMB 자료에 대한 적합도를 악화시키지 않으면서 허블 장애를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 현재 CMB 관측이 탐색할 수 있는 최소 감지 가능한 메이저론-중성자기 상호작용 강도 λ는 얼마인가?
• RQ3 메이저론-중성자기 상호작용을 포함할 경우 효과적인 상대론적 입자 종류 수 ΔNₑff와 재결합 근처의 팽창 역사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 메이저론 모형에서 허블 장애를 감소시키고 천체물리 관측과 일치하는 이론적으로 타당한 매개변수 영역이 존재하는가?
• RQ5 초기 메이저론 인구가 팽창률을 더 강하게 증가시켜 허블 장애를 완전히 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 플랑크 CMB 관측은 메이저론-중성자기 상호작용 강도를 λ ~ 10⁻¹³ 수준으로 제약하며, 이는 유형-I 시즈모드 메커니즘 내에서 약 1 TeV 수준의 렙톤 수 위반 스케일에 해당한다.
• 메이저론+ΔNₑff 천체물리 모형은 허블 장애를 4.4σ에서 2.5σ로 감소시켜 괴리의 상당 부분은 완화되지만 완전한 해결은 아니라는 것을 시사한다.
• 허블 장애를 완화시키는 데 선호되는 매개변수 영역은 1σ 신뢰수준에서 ΔNₑff = 0.5 ± 0.2에 해당한다.
• 이 선호 영역은 메이저론 질량 mϕ ~ 0.1–1 eV, 상호작용 강도 λ ~ 10⁻¹⁴–10⁻¹³ (eV/mϕ)를 특징으로 하며, 전자기적 스케일의 렙톤 수 위반과 일치한다.
• ΛCDM+ΔNₑff와 달리, 메이저론-중성자기 상호작용을 포함함으로써 플랑크 적합도가 악화되지 않아 더 큰 ΔNₑff 값을 유지할 수 있다.
• 이 연구는 차원-5 연산자로부터 양자 중력 이론 기대치와 일치하는 메이저론 질량을 가진 이론적으로 타당한 영역을 규명하였으며, 이는 모형의 자연스러운 기원을 시사한다.