[논문 리뷰] Linear cosmological constraints on 2-body decaying dark matter scenarios and robustness of the resolution to the $S_8$ tension

Guillermo Franco Abellán, Riccardo Murgia외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 다량의 에너지 분율 $\varepsilon$ 에 따라 수명이 변하는 2체 붕괴하는 어두운 물질 모형을 조사한다. 이 모형에서 어두운 물질은 질량이 없는(어두운 방사선) 입자와 질량이 있는(온난한 어두운 물질) 입자로 붕괴되며, 이 모형은 CMB 및 물질 스펙트럼에 대한 적합도를 향상시켜 $S_8$ 갈등을 해결한다. 다른 우주론적 데이터와의 일치도 악화시키지 않으며, Xenon1T의 전자 반발 초과 현상도 설명할 수 있다.

ABSTRACT

The '$S_8$ tension' is a longstanding discrepancy between the cosmological and local determination of the amplitude of matter fluctuations, parameterized as $S_8\equiv\sigma_8(\Omega_m/0.3)^{0.5}$, where $\sigma_8$ is the root mean square of matter fluctuations on a 8 $h^{-1}$Mpc scale, and $\Omega_m$ is the total matter abundance. It was recently shown that dark matter (DM) decaying into a massless (dark radiation) and a massive (warm DM) species, with a lifetime $\Gamma^{-1} \simeq 55~ (\varepsilon/0.007)^{1.4}$ Gyrs -- where $\varepsilon$ represent the mass-energy fraction transferred to the massless component -- can resolve the tension. Thanks to a new, fast and accurate approximation scheme for the warm species, we perform a comprehensive study of this 2-body decaying DM scenario, discussing in details its dynamics and its impact on the CMB and linear matter power spectra. We then confront the robustness of the resolution to the '$S_8$ tension' against a number of changes in the analysis: different $S_8$ priors, marginalization over the lensing information in Planck data, trading Planck high$-\ell$ polarization data for those from the SPTpol collaboration, and the inclusion of the recent results from the Xenon1T collaboration. We conclude that the preference for decaying DM, while entirely driven by the local $S_8$ measurements, does not sensibly degrade the fit to any of the cosmological data-sets considered, and that the model could explain the anomalous electron recoil excess reported by the Xenon1T collaboration.

연구 동기 및 목표

• 2체 붕괴 어두운 물질 시나리오에서 온난한 어두운 물질 성분과 질량이 없는 방사선 성분을 포함한 모형이 $S_8$ 갈등을 해결할 수 있는지 조사하기 위해.
• 새로운 빠르고 정확한 근사 방법을 사용하여 온난한 어두운 물질 성분의 역학적 진화와 간섭 우주론적 영향을 분석하기 위해.
• Planck 데이터의 $S_8$ 사전 확률과 렌즈링 강도의 근사화 변화에 대한 $S_8$ 갈등 해결의 강건성을 시험하기 위해.
• 최근 Xenon1T 실험에서 관측된 전자 반발 초과 현상과의 일치성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 2체 붕괴 시나리오에서 온난한 어두운 물질 성분의 전달 함수와 진화를 모델링하기 위해 새로운 빠르고 정확한 근사 방법을 개발하였다.
• 질량이 있는 성분과 질량이 없는 성분의 붕괴 효과를 포함하여, 붕괴 어두운 물질 모형의 선형 물질 스펙트럼과 CMB 이방성 스펙트럼을 시뮬레이션하였다.
• Planck 2018 CMB 데이터를 사용하여 모형을 제약하였으며, $S_8$ 사전 확률를 변화시키고 렌즈링 강도를 근사화하여 강건성을 시험하였다.
• Planck의 고다중극자 편광 데이터를 SPTpol 측정치로 대체하여 고다중극자 편광 불확실성에 대한 민감도를 시험하였다.
• 최근 Xenon1T의 전자 반발 초과 결과를 통합하여 직접 탐지 제약 조건과의 일치성을 평가하였다.
• 베이지안 프레임워크를 사용하여 여러 우주론적 데이터셋과 민감도 테스트에서의 모형 적합도 품질을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온난한 어두운 물질 성분과 질량이 없는 방사선 성분을 포함한 2체 붕괴 어두운 물질 모형이 $S_8$ 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ2 Planck 데이터에서 $S_8$ 사전 확률와 렌즈링 근사화 변화에 대해 $S_8$ 갈등 해결이 얼마나 강건한가?
• RQ3 SPTpol의 고다중극자 편광 데이터가 Planck의 데이터로 대체될 경우 모형은 여전히 일관성이 있는가?
• RQ4 모형은 Xenon1T 실험에서 관측된 이례적인 전자 반발 초과 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 시나리오에서 온난한 어두운 물질 성분은 선형 물질 스펙트럼과 CMB 이방성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 수명 $\Gamma^{-1} \simeq 55~ (\varepsilon/0.007)^{1.4}$ Gyr인 2체 붕괴 어두운 물질 모형은 우주론적 데이터와의 일치도를 향상시켜 $S_8$ 갈등을 성공적으로 해결한다.
• 모형은 $S_8$ 사전 확률를 변화시키거나 렌즈링 정보를 근사화하더라도 CMB 및 선형 물질 스펙트럼에 대해 좋은 적합도를 유지한다.
• Planck의 고다중극자 편광 데이터를 SPTpol 데이터로 대체하더라도 모형의 적합도가 유의미하게 악화되지 않아 고다중극자 편광 불확실성에 대해 강건함을 시사한다.
• 최근 Xenon1T 협동 연구의 이례적인 전자 반발 초과 현상과의 일치성이 유지되며, 붕괴 과정에서 공통의 기원이 있을 가능성을 시사한다.
• 새로운 근사 방법은 온난한 어두운 물질 성분의 역학을 잘 모의하여 우주론적 스펙트럼의 정확하고 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 붕괴 어두운 물질에 대한 선호도는 주로 국지적 $S_8$ 측정치에 의해 주도되지만, 고려된 다른 우주론적 데이터셋과의 적합도를 악화시키지 않는다.