[논문 리뷰] Interacting dark energy axions in light of the Hubble tension

Ennis Mawas, Lauren Street외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 34인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 두 개 또는 세 개인 상호작용하는 축상입자(AXION-LIKE PARTICLES, ALPs)를 동적 어두운 에너지로 사용하여 만유중력상수 H₀의 후기 시기 해법을 제안한다. ALP 매개변수를 조정함으로써 모델은 약 74 km/s/Mpc의 허블 상수를 달성하여 플랑크 CMB 자료와의 4–6σ의 불일치를 해결하지만, 음향항력이 변화하지 않아 BAO 및 팬톤 초신성 자료와 충돌한다.

ABSTRACT

A current problem within the ΛCDM framework is the tension between late and early time measurements of the Hubble parameter today, H0. We entertain the possibility that dark energy modeled as multiple interacting axion-like-particle species can alleviate the current Hubble tension. We then test these parameters against the milder tension between the CMB and large scale structure (LSS) observations of σ8 to ensure that these models do not exacerbate the tension. We find that there exist parameter spaces for models of two and three axion-like-particles which can potentially alleviate the Hubble tension as well as the σ8 tension.

연구 동기 및 목표

• 초기 시기(플랑크 CMB)와 후기 시기(SH0ES)의 허블 상수 H₀ 측정치 사이의 4–6σ 격리 문제를 해결하기 위해.
• 다중 상호작용 축상입자(AXION-LIKE PARTICLES, ALPs)가 허블 불일치 문제를 해결할 수 있는 동적 어두운 에너지 메커니즘으로 기능할 수 있는지 조사하기 위해.
• H₀ 불일치 문제의 해결책이 CMB와 대규모 구조 자료 사이의 기존 σ₈ 불일치를 악화시키지 않도록 보장하기 위해.
• H₀ 및 σ₈ 불일치 문제를 동시에 완화할 수 있는 두 ALP 및 세 ALP 모델의 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 음향항력 일致성 문제에 대한 도전을 강조하며, 향후 전체 데이터 분석의 필요성을 제기하기 위해.

제안 방법

• N개의 스칼라 장, 붕괴 상수 fᵢ, 자기결합 상수 μᵢ, 입자 간 상호작용 상수 μᵢ,ⱼ 및 혼합 매개변수 nᵢ,ⱼ를 포함하는 자기상호작용 포텐셜을 사용하여 D’Amico 등이 제안한 상호작용 ALP 모델을 일반화하기 위해.
• 상호작용 ALP 장의 역학을 통해 시간에 따라 변화하는 어두운 에너지 상태방정식 ω(z) = p(z)/ρ(z)를 모델링하기 위해.
• 수정된 프리드만 방정식을 사용하여 H(z)를 진화시키며, ALP 에너지 밀도 및 압력이 총 에너지 예산에 기여하도록 하기 위해.
• Barros 등이 제안한 형식을 사용하여 결합 쿠이니세스 모델에서 σ₈ 값을 근사하고, 이를 ALP 기반 어두운 에너지 시나리오로 확장하기 위해.
• 초기 우주 물리학이 변화하지 않는다고 가정하고, 표준 CMB/BAO 정의에 따라 z ≈ 1100에서 음향항력 rₐ를 계산하기 위해.
• CMB(99.08 ± 0.80 Mpc) 및 BAO(99.95 ± 1.20 Mpc) 측정치와 비교하여 rₐh의 곱이 후기 시기 자료와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개 또는 세 개의 상호작용 축상입자를 포함하는 모델이 동적으로 허블 파라미터를 조정하여 4–6σ의 H₀ 불일치 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 H₀ 불일치 문제를 해결하는 매개변수 영역이 CMB와 대규모 구조 관측치 사이의 덜 심각한 σ₈ 불일치 문제를 완화하는가?
• RQ3 음향항력 rₐ가 변화하지 않음에도 불구하고, 이러한 ALP 모델이 BAO 및 팬톤 초신성 자료와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 변하지 않는 음향항력이 이 ALP 프레임워크 내에서 후기 시기 해법의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 모델이 H₀ 불일치 문제 해결을 위해 필수로 여겨지는 일곱 가지 가정을 위반하지 않으며, 특히 초기 우주 물리학과 관련된 가정들을 어떻게 회피할 수 있는가?

주요 결과

• 두 축상입자 및 세 축상입자 모델 모두에서, z = 0에서 H₀ ≈ 74 km/s/Mpc로 진화하는 매개변수 영역이 존재하여 후기 시기 SH0ES 측정치와 일치한다.
• H₀ 불일치 문제를 해결하는 동일한 매개변수 조합은 σ₈ 불일치 문제를 줄이며, CMB와 대규모 구조 측정치 간의 일치를 향상시킨다.
• 모델은 초기 우주의 물리학이 수정되지 않았기 때문에 z ≈ 1100에서 변화하지 않는 음향항력 rₐ를 유지한다. 이는 음향항력이 변화하지 않아 BAO 및 팬톤 자료와의 불일치를 초래한다.
• ALP 모델의 계산된 rₐh는 약 108.82 ± 0.21 Mpc (h ≈ 0.74)이며, CMB(99.08 ± 0.80 Mpc) 및 BAO(99.95 ± 1.20 Mpc) 값보다 높아 이 자료들과의 불일치를 나타낸다.
• H₀ 및 σ₈ 불일치 문제 해결에 성공한 모델은 향후 전체 천체물리학 데이터 분석에 따라 결정될 것이며, 현재 BAO 및 팬톤 자료의 제약 조건이 매개변수 영역을 불리하게 평가하고 있다.
• BAO 및 팬톤 자료와의 불일치에도 불구하고, 결과는 상호작용 ALP 모델이 향후 추가 탐색가치가 있는 후기 시기 해법으로 남아 있음을 시사하며, 특히 적색편이 의존적 H₀ 추세에 대한 새로운 증거가 제기되고 있음에 주목할 만하다.