[논문 리뷰] Does the fraction of dark matter diminish with early dark energy?

Hao Wang, Yun-Song Piao|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 20.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 121인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스웨플랜드 거리 추측에 영감을 받아 초기 어두운 에너지(EDE)와의 결합으로 인해 어둠의 물질의 일부가 '지워졌을 수 있다'는 가정을 검토한다. Planck CMB, BAO, Pantheon, SH0ES, DES-Y1 데이터를 사용한 MCMC 분석 결과, 어둠의 물질의 소수의 일부(f* ≲ 0.03)가 EDE와 결합되어 S₈ 불일치를 완화할 수 있으나, H₀ 불일치는 악화시키지 않으며, c ≈ 0은 여전히 데이터와 일치한다.

ABSTRACT

In pre-recombination early dark energy (EDE) resolutions of the Hubble tension, the rise of Hubble constant value $H_0$ is usually accompanied with the exacerbation of so-called $S_8$ tension. Inspired by the swampland conjecture, we investigate what if a fraction $f_*$ of dark matter is coupled to EDE, $m_{cdm}\sim \exp{(-c{|Δϕ_{ede}|\over M_{pl}})}$ with $c\sim {\cal O}(1)$. We perform the MCMC analysis for the relevant EDE models with PlanckCMB, BAO, Pantheon and SH0ES dataset, as well as DES-Y1 data, and find that such a fraction helps to alleviate the $S_8$ tension. However, though $c\gtrsim 0.1$ is allowed for a very small $f_*$, which suggests that a small fraction of dark matter has ever faded with EDE, $c\sim0$ is also consistent.

연구 동기 및 목표

• 스웨플랜드 거리 추측에 기반하여 어둠의 물질의 일부가 초기 어두운 에너지(EDE)와의 결합으로 인해 동적으로 질량을 잃었을 수 있는지 조사한다.
• 이러한 결합이 표준 EDE 모형에서 H₀ 불일치를 해결함에도 불구하고 지속되는 S₈ 불일치를 완화할 수 있는지 평가한다.
• Planck CMB, BAO, Pantheon, SH0ES, DES-Y1 등의 천문학적 데이터를 사용하여 이 모형의 타당성을 시험한다.
• 특히 결합 강도 c와 관여하는 어둠의 물질 비율 f*에 대한 관측 제약 조건과 이 메커니즘이 일치하는지 판단한다.

제안 방법

• 어둠의 물질의 질량에 따라 EDE와의 결합을 제안: m_cdm ∝ exp(–c|Δφ_ede|/M_pl), 여기서 c ≈ O(1)이며 φ_ede는 EDE 스칼라 장이다.
• Planck CMB, BAO, Pantheon, SH0ES, DES-Y1 데이터 세트를 사용하여 모형 매개변수를 제약하는 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 분석을 수행한다.
• 두 가지 EDE 모형을 고려: 아키온 유사 EDE와 AdS-EDE로, 둘 다 어둠의 물질의 일부 f*가 EDE와 결합 가능하도록 한다.
• 효과적 장 이론의 UV 완전성을 보장하고 장 이동량을 제약하기 위해 스웨플랜드 거리 추측(SDC)을 적용한다.
• 시간에 따른 스칼라 장 φ_ede, EDE 에너지 밀도 f_ede, 그리고 효과적 어둠의 물질 질량 m_cdm(φ_ede)의 진화를 분석한다.
• 모형 예측값인 S₈와 H₀를 국지 측정치(SH0ES, KiDS+DES-Y1)와 비교하여 불일치 완화 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠의 물질과 초기 어두운 에너지 사이의 부분적 결합이 H₀ 불일치를 악화시키지 않으면서 S₈ 불일치를 완화할 수 있는가?
• RQ2 어둠의 물질의 소수의 일부 f*가 EDE와의 상호작용으로 인해 지워졌을 경우, 현재 천문학적 데이터와 일치하는 최대 허용 결합 강도 c는 얼마인가?
• RQ3 EDE와의 상호작용에 의한 어둠의 물질의 지워짐 메커니즘은 스웨플랜드 거리 추측과 일치하는가?
• RQ4 DES-Y1 데이터의 포함과 서로 다른 EDE 모형(아키온 유사 대비 AdS-EDE)은 f*와 c에 대한 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 모형은 비제로 c를 선호하는가, 아니면 S₈ 및 H₀ 측정치를 고려할 때 여전히 c ≈ 0이 타당한가?

주요 결과

• EDE와 결합된 어둠의 물질의 소수의 일부를 포함함으로써 S₈ 불일치가 완화되며, AdS-EDE에서는 최적의 f* ≈ 0.03, 아키온 유사 EDE에서는 f* ≈ 0.5를 기록한다.
• 두 EDE 모형 모두에서 f*가 작을 경우 1σ 수준에서 c ≳ 0.1이 허용되며, 이는 어둠의 물질의 소수의 일부가 EDE와 함께 질량을 잃었을 가능성이 있음을 시사한다.
• 지워짐의 잠재 가능성에도 불구하고, c ≈ 0은 특히 아키온 유사 EDE에서 최적의 c가 음수인 점을 감안할 때 1σ 신뢰 영역 내에 포함된다.
• 기본+DES-Y1 데이터 세트는 상당한 지워짐을 기피하며, 특히 장 이동량이 작은 아키온 유사 EDE에서 c ∼ 0이 선호된다.
• DES-Y1 데이터를 포함하더라도 모형은 스케일 불변의 초기 스펙트럼(n_s ≈ 1)을 유지하며, H₀ ≈ 73 km/s/Mpc와 일치한다.
• 두 모형 모두에서 S₈ 불일치가 감소한다: 아키온 유사 EDE의 경우 최적의 S₈ ≈ 0.82, AdS-EDE의 경우 S₈ ≈ 0.8433로, 표준 EDE 모형보다 국지 측정치에 더 가까워진다.