[논문 리뷰] Running vacuum in Brans-Dicke theory: a possible cure for the $σ_8$ and $H_0$ tensions

Javier de Cruz Pérez, Joan Solà|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 09.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 브란스-딕 테리에서의 런닝 바닥 에너지 모형(BD-RVM)을 제안하여 천체물리학에서의 $\sigma_8$ 및 $H_0$ 긴장 문제를 동시에 완화한다. 뉴턴 상수 $G_N$와 진공 에너지 밀도 $\rho_{\rm vac}$를 $\delta\rho_{\rm vac} \propto \nu\,m_{\rm Pl}^2(H^2 - H_0^2)$에 따라 동적으로 변화시키는 방식으로, 표준 $\Lambda$CDM 모형보다 우주론적 데이터에 훨씬 더 잘 맞는 결과를 얻었으며, 강력한 통계적 증거($\Delta$AIC, $\Delta$DIC > 12)가 BD-RVM 시나리오를 지지한다. 특히 $H_0$ 또는 $S_8$ 사전 정보가 포함된 경우 더욱 두드러진다.

ABSTRACT

Extensions of the gravitational framework of Brans-Dicke (BD) are studied by considering two different scenarios: i) `BD-$Λ$CDM', in which a rigid cosmological constant, $Λ$, is included, thus constituting a BD version of the vanilla concordance $Λ$CDM model (the current standard model of cosmology with flat three-dimensional geometry), and ii) `BD-RVM', a generalization of i) in which the vacuum energy density (VED), $ρ_{ extrm{vac}}$, is a running quantity evolving with the square of the Hubble rate: $δρ_{ extrm{vac}}(H)\propto ν\, m^2_{ extrm{Pl}} (H^2-H_0^2)$ (with $|ν|\ll 1$). This dynamical scenario is motivated by recent studies of quantum field theory (QFT) in curved spacetime, which lead to the running vacuum model (RVM). We solve the background as well as the perturbation equations for each cosmological model and test their performance against the modern wealth of cosmological data, namely a compilation of the latest SNIa+$H(z)$+BAO+LSS+CMB observations. We utilize the AIC and DIC statistical information criteria in order to determine if they can fit better the observations than the concordance model. The two BD extensions are tested by considering three different datasets. According to the AIC and DIC criteria, both BD extensions i) and ii) are competitive, but the second one (the BD-RVM scenario) is particularly favored when it is compared with the vanilla model. This fact may indicate that the current observations favor a mild dynamical evolution of the Newtonian coupling $G_N$ as well as of the VED. This is in agreement with recent studies suggesting that the combination of these two features can be favorable for a possible resolution of the $σ_8$ and $H_0$ tensions. In this work, we show that the Brans-Dicke theory with running vacuum has the potential to alleviate the two tensions at the same time.

연구 동기 및 목표

• 브란스-딕 이론을 확장하여 시간에 따라 변화하는 진공 에너지 밀도를 도입함으로써 천체물리학에서 지속적인 $\sigma_8$ 및 $H_0$ 긴장 문제를 해결하고자 한다.
• 브란스-딕 프레임워크 내에서 런닝 바닥 에너지 모형(RVM)이 표준 $\Lambda$CDM 모형보다 현재의 우주론적 데이터에 더 잘 맞는지를 시험하고자 한다.
• 시간에 따라 변화하는 뉴턴 상수 $G_N$와 진공 에너지 밀도 $\rho_{\rm vac}$의 동적 특성이 다양한 우주론적 긴장을 통합적으로 해결할 수 있는지 탐색하고자 한다.
• 정보 기준(AIC, DIC)과 SNIa, $H(z)$, BAO, LSS, CMB 데이터를 포함한 관측 데이터 세트를 활용하여 BD-RVM 모형이 표준 $\Lambda$CDM 모형보다 통계적으로 어느 정도 선호되는지 평가하고자 한다.

제안 방법

• 곡률이 있는 시공간에서의 양자장 이론에 기반하여, $|\nu| \ll 1$ 이면서 $\delta\rho_{\rm vac} \propto \nu\,m_{\rm Pl}^2(H^2 - H_0^2)$인 런닝 바닥 에너지 밀도를 가진 브란스-딕 이론(BD-RVM)을 수립한다.
• 비교를 위해 브란스-딕 프레임워크 내에서 상수 $\Lambda$ 항을 가진 벤치마크 모형(BD-$\Lambda$CDM)을 구성한다.
• 공간적으로 평탄한 프리드만-레마이트르-로버르송-워커(FLRW) 프레임워크 내에서 두 모형의 배경 및 펌더베이션 방정식을 해결한다.
• SNIa, $H(z)$, BAO, LSS 및 플랑크 2018 CMB 데이터(TT, TE, EE, 렌즈링)를 포함한 종합적 데이터 세트를 사용하여 모형 매개변수를 제약한다.
• 표준 $\Lambda$CDM 모형과의 성능 비교를 위해 아카이케(AIC) 및 디바이언스(DIC) 정보 기준을 적용한다.
• 모형의 안정성을 평가하기 위해 $H_0$ 및 $S_8$에 대한 외부 사전 정보를 포함하여 매개변수 피팅과 통계적 선호도에 미치는 영향을 분석한다.

(a)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브란스-딕 이론 내에서 런닝 바닥 에너지 모형이 천체물리학 데이터에서 관측된 $\sigma_8$ 및 $H_0$ 긴장을 동시에 완화할 수 있는가?
• RQ2 허브의 속도에 따라 변화하는 동적 진공 에너지 밀도를 포함함으로써, 표준 $\Lambda$CDM 모형보다 통계적으로 선호되는 모형이 도출되는가?
• RQ3 외부 사전 정보로 $H_0$ 또는 $S_8$를 적용했을 때, $G_N$ 변화와 관련된 매개변수 $\epsilon$과 $\rho_{\rm vac}$의 런닝과 관련된 매개변수 $\nu$는 어떻게 제약되는가?
• RQ4 CMB 편광 데이터의 포함이 BD-RVM 모형이 표준 모형보다 통계적으로 더 우수한 성능을 보이게 하는 데 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 BD-RVM 모형에서 비영인 피팅 값인 $\nu$와 $\epsilon$의 의미는 무엇이며, 이는 표준 모형에서의 본질적인 이탈을 나타내는가?

주요 결과

• 외부 사전 정보로 $H_0$ 또는 $S_8$를 포함할 경우, BD-RVM 모형은 표준 $\Lambda$CDM 모형보다 강력한 통계적 선호도를 보이며, $\Delta$AIC 및 $\Delta$DIC가 12를 초과한다.
• $\nu = 0.00348^{+0.00077}_{-0.00064}$의 피팅 값은 4.94$\sigma$의 신뢰 수준에서 비영인 동적 진공 에너지 밀도의 존재를 강력히 지지한다.
• $\epsilon = -0.0077^{+0.0012}_{-0.0021}$는 4.67$\sigma$의 신뢰 수준에서 비영인이고 변화하는 뉴턴 상수 $G_N$의 존재를 지지한다.
• $H_0$ 사전 정보를 포함할 경우, BD-RVM 모형은 높은 $H_0 \approx 70.47^{+0.70}_{-0.59}$ km/s/Mpc와 낮은 $\sigma_8 \approx 0.762 \pm 0.018$를 동시에 수용하여 두 긴장을 동시에 해결한다.
• CMB 편광 데이터의 포함은 두 BD 모형의 통계적 성능을 향상시키며, 특히 기본 설정 + $S_8$ 케이스에서 BD-RVM 모형이 특히 강력한 증거($\Delta$AIC, $\Delta$DIC $\sim$ 14)를 보인다.
• $H_0$ 사전 정보를 적용하더라도 BD-RVM 모형은 여전히 선호되며, 반면 BD-$\Lambda$CDM 모형은 통계적 선호도를 상실한다. 이는 런닝 바닥 에너지가 $H_0$ 긴장을 해결하는 데 독특한 능력을 지닌다는 것을 시사한다.

(b)