[논문 리뷰] Ultra-light axions and the $S_8$ tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering

Keir K. Rogers, Renée Hložek외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

논문은 Planck CMB 데이터와 BOSS 은하 군집화를 결합해 초가벼운 축손(질량 범위 10^{-32} eV to 10^{-24} eV)를 제약하고, 작은 규모 구조를 억제하여 S8 긴장을 완화할 가능성을 평가한다. 축손 밀도에 대한 강한 한계를 찾고, 축손이 CMB–LSS 일치를 다소 개선할 수 있는 창을 식별한다.

ABSTRACT

We search for ultra-light axions as dark matter (DM) and dark energy particle candidates, for axion masses $10^{-32}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-24}\,\mathrm{eV}$, by a joint analysis of cosmic microwave background (CMB) and galaxy clustering data -- and consider if axions can resolve the tension in inferred values of the matter clustering parameter $S_8$. We give legacy constraints from Planck 2018 CMB data, improving 2015 limits on the axion density $Ω_\mathrm{a} h^2$ by up to a factor of three; CMB data from the Atacama Cosmology Telescope and the South Pole Telescope marginally weaken Planck bounds at $m_\mathrm{a} = 10^{-25}\,\mathrm{eV}$, owing to lower (and theoretically-consistent) gravitational lensing signals. We jointly infer, from Planck CMB and full-shape galaxy power spectrum and bispectrum data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), that axions are, today, $< 10\%$ of the DM for $m_\mathrm{a} \leq 10^{-26}\,\mathrm{eV}$ and $< 1\%$ for $10^{-30}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-28}\,\mathrm{eV}$. BOSS data strengthen limits, in particular at higher $m_\mathrm{a}$ by probing high-wavenumber modes ($k < 0.4 h\,\mathrm{Mpc}^{-1}$). BOSS alone finds a preference for axions at $2.7 σ$, for $m_\mathrm{a} = 10^{-26}\,\mathrm{eV}$, but Planck disfavours this result. Nonetheless, axions in a window $10^{-28}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-25}\,\mathrm{eV}$ can improve consistency between CMB and galaxy clustering data, e.g., reducing the $S_8$ discrepancy from $2.7 σ$ to $1.6 σ$, since these axions suppress structure growth at the $8 h^{-1}\,\mathrm{Mpc}$ scales to which $S_8$ is sensitive. We expect improved constraints with upcoming high-resolution CMB and galaxy lensing and future galaxy clustering data, where we will further assess if axions can restore cosmic concordance.

연구 동기 및 목표

• 10^{-32} eV ≤ m_a ≤ 10^{-24} eV 범위 내에서 암흑 물질 또는 암흑 에너지 후보로서의 초가벼운 축손 탐색.
• Planck 2018, ACT, SPT, 및 BOSS 데이터를 사용해 Ω_a h^2에 대한 축손 기여를 정량화.
• 축손이 CMB와 대규모 구조 데이터 간의 S8 긴장을 줄일 수 있는지 평가.
• 은하 파워 스펙트럼과 비스펙트럼을 포함하기 위해 LSS의 EFT를 통해 약간 비선형 스케일로 모델링 확장.
• 축손 질량과 밀도에 대한 공동 제약을 제시하고 우주적 합의에 대한 시사점을 논의.

제안 방법

• 선형 이론과 z_eq에서의 H(z_eq) 근처 및 이하에서의 유효 유체 설명으로 축손을 모델링하고 선형 섭동에 대해 axionCAMB를 사용.
• CLASS-PT와 함께 비선형 LSS EFT(EFT of LSS)를 도입해 은하 군집화를 위한 P_ℓ(k,z)와 B_0(k1,k2,k3)을 모델링.
• Planck, ACT-DR4, SPT-3G 데이터를 통한 CMB에 대한 축손 효과를 평가하며 렌징(φφ 포함).
• 전체 형태 BOSS 은하 파워 스펙트럼과 단극 비스펙트럼 사용, 재구성된 실제 공간 파워 스펙트럼 Q0(k,z)와 Alcock-Paczynski 매개변수 α_∥, α_⊥.
• EFT 잡음 매개변수(바이어스, 차수항, 확률적 항) 및 축손으로 인한 배경 및 선형 파워 스펙트럼 수정을 주변화.
• 데이터와 비교할 때 적외선 재샘김과 AP 왜곡을 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주어진 범위의 질량을 갖는 초가벼운 축손이 CMB 및 은하 군집 데이터와 충돌 없이 Ω_a h^2에 비무시적 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 초가벼운 축손이 작은 규모의 파워를 충분히 억제하여 CMB와 대규모 구조 관측 간의 S8 긴장을 줄일 수 있는가?
• RQ3 Planck, ACT, SPT, BOSS 데이터를 결합할 때 축손 질량 m_a과 밀도 Ω_a h^2에 대한 공동 제약은 무엇인가?
• RQ4 다른 우주론적 관측치를 악화시키지 않으면서 축손이 CMB–LSS 일치를 개선하는 질량 창이 있는가?
• RQ5 비선형 모델링과 LSS의 EFT가 선형 이론만으로 얻은 경계와 비교해 축손 한계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Planck 2018 한계는 ACT와 SPT에 의해 일부 영역에서 강화되어 오늘날 여러 질량에 대해 축손 밀도가 서브 도미넌트임을 제약한다 (예: m_a ≤ 10^{-26} eV의 경우 DM의 <10%, 10^{-30} eV ≤ m_a ≤ 10^{-28} eV의 경우 <1%).
• BOSS 데이터는 전체 형태 분석을 통해 k < 0.4 h/Mpc를 탐지하며 더 높은 질량에서 한계를 강화한다.
• BOSS 단독으로 m_a = 10^{-26} eV에서 축손에 대해 2.7σ 선호를 보이나 결합 시 Planck가 이를 반박한다.
• Axions in the window 10^{-28} eV ≤ m_a ≤ 10^{-25} eV 질량 창의 축손은 구조의 작은 스케일 성장을 억제해 S8 불일치를 약 2.7σ에서 약 1.6σ로 줄일 수 있다.
• 축손은 S8과 관련된 8 h^{-1} Mpc 규모의 구조 성장을 억제하여 CMB와 은하 군집 데이터의 조화를 향한 가능 경로를 제공한다.
• 향후 고해상도 CMB 렌징 및 은하 설문이 이 제약을 더 강화하고 축손 주도 합의 회복을 추가로 검증할 것으로 기대된다.