[논문 리뷰] The cosmological lithium problem, varying constants and the $H_0$ tension

S. A. Franchino-Viñas, M. E. Mosquera|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 05.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 미세구조상수, 힉스 진공기대값, 뉴턴 상수의 동시 변화가 천체물리학적 리튬 문제와 $H_0$ 긴장 문제를 동시에 완화시킬 수 있음을 제안한다. 빅뱅 핵합성 기간 동안 이러한 상수들을 변화 가능하게 하고 관측된 경량 원소 농도에 맞추어 최적화한 결과, $N_{\text{eff}} = 4.04 \pm 0.12$를 도출하였으며, 이는 플랑크 CMB 데이터로 외삽했을 때 $H_0 = 71.85 \pm 0.77\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$를 초래하여 직접 측정값과 일치한다.

ABSTRACT

In this work we show that the cosmological lithium problem and the $H_0$ tension could be eased at the same time by allowing variations in the fundamental constants. We compute the primordial abundances of light elements resulting from Big Bang Nucleosynthesis considering the fine structure constant, the Higgs' vacuum expectation value and Newton's constant as free parameters. Using the observational data for abundances, we set constraints on the variations of the fundamental constants. An interpretation of the results in terms of the number of effective relativistic species gives $N_{ m eff}=4.04\pm0.12$. If one extrapolates the fit of {\sffamily Planck} considering this $N_{ m eff}$, the value of the inferred Hubble's constant shifts to $H_0=(71.85\pm0.77)\, ext{km}\, ext{s}^{-1} ext{Mpc}^{-1}$, compatible with current direct determinations.

연구 동기 및 목표

• 기본 상수가 변화함으로써 천체물리학적 리튬 문제와 $H_0$ 긴장 문제를 동시에 해결할 수 있는지 조사하는 것.
• 미세구조상수, 힉스 진공기대값, 뉴턴 상수를 빅뱅 핵합성 기간 동안 변화 가능하게 허용했을 때 이론적 예측과 관측된 경량 원소 농도가 일치하는지 테스트하는 것.
• 이러한 변화가 CMB에서 추론된 $H_0$와 직접 측정값 간의 격리 문제를 줄이는 데 기여하는 $N_{\text{eff}}$의 값을 도출하는지 평가하는 것.
• 기본 상수 변화에 대한 제약 조건을 통해 새로운 물리학을 탐색하는 데 모델 독립적인 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 빅뱅 핵합성 기간 동안의 미세구조상수($\alpha$), 힉스 진공기대값($\langle v\rangle$), 뉴턴 상수($G_N$)에 자유 매개변수를 포함하도록 AlterBBN 코드를 수정하였다.
• 초기 우주에서의 경량 원소 농도 관측 데이터(리튬, 중수소, 헬륨-4 포함)에 모델을 적합시키기 위해 $\chi^2$ 통계적 검정을 사용하였다.
• 수정된 프리드만 방정식을 통해 $G_N$ 의 변화를 효과적인 상대론적 입자 종류 수($\Delta N_{\text{eff}}$)의 변화로 연결하였다.
• 이전 연구에서 도출된 중수소 결합 에너지의 $\langle v\rangle$ 의 이론적 의존성과 핵 반응률의 $\alpha$ 의 의존성을 통합하였다.
• BBN 및 CMB 데이터에 대한 동시 최적화를 수행하였으며, 뉴트론 물리학의 지표로 $N_{\text{eff}}$ 를 사용하고, 다양한 매개변수화 방식에 따라 $H_0$ 에 대한 제약 조건을 유도하였다.
• Cepheid 기반의 $H_0$ 측정값을 정규분포 확률 밀도로 모델링하여, 최적화로부터 유도된 $H_0$ 와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 입자 물리학을 도입하지 않고도 기본 상수의 변화가 천체물리학적 리튬 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 동일한 상수 변화가 CMB 측정값과 직접 측정값 간의 $H_0$ 긴장을 동시에 완화시킬 수 있는가?
• RQ3 기본 상수를 변화 가능하게 했을 때 관측된 경량 원소 농도와 BBN 예측을 조율하기 위해 필요한 $N_{\text{eff}}$ 의 값은 얼마인가?
• RQ4 $N_{\text{eff}}$ 가 BBN 데이터에 맞추어 조정되었을 때, $\alpha$ 와 $\langle v\rangle$ 의 변화가 유도하는 $H_0$ 는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 BBN 최적화로부터 도출된 $H_0$ 는 $73.2 \pm 1.3\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 의 Cepheid 기반 측정값과 일치하는가?

주요 결과

• 효과적인 상대론적 입자 종류 수의 최적 적합값은 $N_{\text{eff}} = 4.04 \pm 0.12$ 로서, 표준값인 $N_{\text{eff}} = 3.046$ 와의 상당한 이격을 나타낸다.
• 이 $N_{\text{eff}}$ 값은 플랑크 CMB 데이터로 외삽했을 때 $H_0 = 71.85 \pm 0.77\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 로 이격되며, 이는 Cepheid 기반 측정값인 $73.2 \pm 1.3\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 와 일치한다.
• 관측 농도와의 일치를 달성하기 위해 미세구조상수($\alpha$)와 힉스 진공기대값($\langle v\rangle$) 의 변화가 백분율 수준이어야 한다.
• $\chi^2$ 최적화 결과, 리튬을 포함한 모든 경량 원소 농도가 비어 있지 않은 매개변수 공간 영역에서 교차하며, Cepheid 결과의 1$\sigma$ 수준과 상당한 겹침을 보였다.
• 선호되는 $\Delta N_{\text{eff}} \sim 1$ 은 CMB 측면에서 $H_0$ 긴장을 해결하는 데 필요한 정도와 일치하여, 새로운 상대론적 자유도의 공통 기원을 시사한다.
• 이 결과는 $\langle v\rangle$ 를 자유 매개변수로 포함하더라도 안정적이며, 스테일리티 뉴트리노와 같은 $N_{\text{eff}}$ 초과의 후보와도 호환된다.