[논문 리뷰] Implications of the $S_8$ tension for decaying dark matter with warm decay products

Guillermo Franco Abellán, Riccardo Murgia외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 21.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 냉각 암흑물질이 질량이 있는 따뜻한 암흑물질 입자와 질량이 없는 암흑복사 성분으로 두 개의 입자로 붕괴하는 이중붕괴 암흑물질(ΛDDM) 모델을 제안한다. 이는 자유류동에 의해 구조 형성의 억제를 초래한다. 수명 약 55 Gyr이고 에너지 이행 비율 ε ≈ 0.7%일 경우, 이 모델은 σ8를 감소시켜 S8 갈등을 해결하면서도 CMB, BAO, SNIa 및 성장 인자 데이터를 동시에 적합시켜 표준 ΛCDM에 대한 타당한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Recent weak lensing surveys have revealed that the direct measurement of the parameter combination $S_8\equiv\sigma_8(\Omega_m/0.3)^{0.5}$ -- where $\sigma_8$ is a measure of the amplitude of matter fluctuations on 8 $h^{-1}$Mpc scales -- is $\sim3\sigma$ discrepant with the value reconstructed from cosmic microwave background (CMB) data assuming the $\Lambda$CDM model. In this article, we show that it is possible to resolve the tension if dark matter (DM) decays with a lifetime of $\Gamma^{-1} \simeq 55 \ ext{Gyrs}$ into one massless and one massive product, and transfers a fraction $\varepsilon\simeq 0.7 \ \%$ of its rest mass energy to the massless component. The velocity-kick received by the massive daughter leads to a suppression of gravitational clustering below its free-streaming length, thereby reducing the $\sigma_8$ value as compared to that inferred from the standard $\Lambda$CDM model, in a similar fashion to massive neutrino and standard warm DM. Contrarily to the latter scenarios, the time-dependence of the power suppression and the free-streaming scale allows the 2-body decaying DM scenario to accommodate CMB, baryon acoustic oscillation, growth factor and un-calibrated supernova Ia data. We briefly discuss implications for DM model building, galactic small-scale structure problems and the recent Xenon-1T excess. Future experiments measuring the growth factor to high accuracy at $0\lesssim z\lesssim1$ can further test this scenario.

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 프레임워크 내에서 CMB로 추정한 것과 약한 렌즈 측정으로 구한 것 사이의 3σ 이격인 S8 갈등—σ8(Ωm/0.3)⁰.⁵—를 해결하기 위해.
• 따뜻한 붕괴 생성물을 가진 이중붕괴 암흑물질이 소규모 구조의 억제를 유도하면서도 기존의 천체물리적 관측과 충돌하지 않는지를 탐색하기 위해.
• 이러한 모델이 CMB 렌즈, BAO, 校정되지 않은 SNIa, 성장 인자 측정치를 동시에 수용할 수 있는지를 시험하기 위해.
• 이 모델이 소규모 구조 문제와 Xenon-1T 과잉 현상을 동시에 해결하는 데 실현 가능할 수 있는지를 평가하기 위해.

제안 방법

• 냉각 암흑물질이 질량이 있는 따뜻한 암흑물질(WDM) 입자 하나와 질량이 없는 암흑복사(DR) 성분으로 붕괴하는 이중붕괴 모델(ΛDDM)을 도입한다.
• 하향스케일에서 위상공간 분포를 세 개의 다중극으로 줄이는 새로운 유체 근사법을 사용하여, 수치 계산을 효율적으로 수행한다.
• CLASS 수치 코드에 DCDM, WDM, DR의 전체 펌정 방정식을 구현하여 선형 천체물리적 펌정을 포함한다.
• Planck 고ℓ 및 저ℓ CMB 데이터, BAO, SNIa(Pantheon), S8 측정치에 최적화하기 위해 MontePython-v3를 사용한 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 분석을 수행한다.
• KIDS1000+BOSS+2dfLenS 데이터를 바탕으로 S8의 가능도를 분할 정규분포 함수로 모델링하며, S8 = 0.766⁺⁰.⁰²₀₋₀.⁰¹⁴로 설정한다.
• QDMAP 갈등 척도와 베이지안 증거를 사용하여 이 모델을 표준 ΛCDM 및 질량이 있는 중성자(νΛCDM) 시나리오와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 따뜻한 붕괴 생성물을 가진 이중붕괴 암흑물질 모델이 CMB, BAO, SNIa 데이터와 일치하면서도 S8 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ2 이 붕괴 모델에서 시간에 따라 변화하는 물질 스펙트럼 억제는 표준 질량이 있는 중성자 또는 표준 WDM 시나리오와 어떻게 다를까?
• RQ3 S8를 CMB 데이터와 일치시키면서도 다른 천체물리적 제약 조건을 위반하지 않도록 하기 위해 필요한 붕괴 파라미터(수명 및 에너지 이행 비율)는 무엇인가?
• RQ4 이 모델은 Xenon-1T 과잉 현상과 ΛCDM의 소규모 구조 문제를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 결과가 붕괴 파라미터에 대한 사전 분포 선택(로그 척도 대 비례 척도)에 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 이 모델은 암흑물질 붕괴 수명이 약 55 Gyr이고 질량이 없는 성분으로의 에너지 이행 비율이 ε ≈ 0.7%일 경우 S8 갈등을 해결한다.
• 따뜻한 딸입자(자식입자)는 자유류동 스케일 이하에서 물질 스펙트럼의 시간에 따라 변화하는 억제를 유도하며, 질량이 있는 중성자 또는 표준 WDM와 유사한 방식으로 σ8를 감소시킨다.
• 이 모델은 Planck CMB, BAO, 校정되지 않은 SNIa 및 S8 데이터를 동시에 적합시키며, 이는 이전의 2체 붕괴 모델이 BAO와 CMB 렌즈 제약 조건을 동시에 충족하지 못했던 것과 대조된다.
• 결과는 사전 분포 선택에 대해 강건하다: ε 및 Γ의 1차원 및 2차원 사후 분포는 ε의 하한을 10⁻⁴에서 10⁻⁶로 변경해도 거의 영향을 받지 않는다.
• 이전 연구에서 확인된 바와 같이, 이 모델은 허블 갈등을 해결할 수 없다. 복합 BAO, SNIa 및 Planck 데이터에 의해 배제되었다.
• S8 데이터를 포함할 경우, 베이지안 증거는 ΛDDM 모델이 ΛCDM 모델보다 유리함을 보여주며, 전체 데이터셋에 대한 적합도 향상을 시사한다.