[논문 리뷰] Coupled and uncoupled early dark energy, massive neutrinos and the cosmological tensions

Adrià Gómez-Valent, Ziyang Zheng외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 29.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초기 어두운 에너지(EDE) 모형—결합된 경우와 결합되지 않은 경우—과 질량이 있는 중성자를 포함하여 우주론적 긴장을 완화하기 위해 조사한다. 특히 허블 상수와 S8 상수의 긴장을 다룬다. 연구 결과, 초경량 축상(ULA) EDE는 σ₁₂를 증가시키지 않으면서도 허블 상수의 긴장을 약 ∼2σ 수준으로 줄일 수 있으며, 어둠의 물질-어둠의 에너지 간의 결합은 물질 군집화를 강화하고 데이터로 인해 제약을 받는다. 또한 질량이 있는 중성자는 그 총 질량에 대한 엄격한 상한선으로 인해 영향이 제한적이다.

ABSTRACT

Some cosmological models with non-negligible dark energy fractions in particular windows of the pre-recombination epoch are capable of alleviating the Hubble tension quite efficiently, while keeping the good description of the data that are used to build the cosmic inverse distance ladder. There has been an intensive discussion in the community on whether these models enhance the power of matter fluctuations, leading {\it de facto} to a worsening of the tension with the large-scale structure measurements. We address this pivotal question in the context of several early dark energy (EDE) models, considering also in some cases a coupling between dark energy and dark matter, and the effect of massive neutrinos. We fit them using the Planck 2018 likelihoods, the supernovae of Type Ia from the Pantheon compilation and data on baryon acoustic oscillations. We find that ultra-light axion-like (ULA) EDE can actually alleviate the $H_0$ tension without increasing the values of $σ_{12}$ with respect to those found in the $Λ$CDM, whereas EDE with an exponential potential does not have any impact on the tensions. A coupling in the dark sector tends to enhance the clustering of matter, and the data limit a lot the influence of massive neutrinos, since the upper bounds on the sum of their masses are too close to those obtained in the standard model. We find that in the best case, namely ULA, the Hubble tension is reduced to $\sim 2σ$.

연구 동기 및 목표

• 초기 어두운 에너지(EDE) 모형을 사용하여 지속적인 허블 상수와 S8 상수의 긴장을 해결하기.
• EDE 모형이 물질 군집화를 강화하여 대규모 구조 데이터와의 긴장을 악화시키는지 평가하기.
• 어둠의 에너지-어둠의 물질 간의 결합과 질량이 있는 중성자가 우주론적 제약에 미치는 영향을 연구하기.
• 플랑크 2018, SNIa, BAO 데이터에 대해 ULA 및 지수형 잠재력 EDE 모형의 타당성을 시험하기.

제안 방법

• 플랑크 2018 CMB 우도, 팬톤 SNIa, BAO 데이터를 사용하여 EDE 모형을 피팅함.
• 반복 최적화를 통해 EDE 파rameters(f_ede, z_max)를 ULA 잠재력 파rameters(m, f)로 매핑하기 위해 射撃 방법(shooting method)을 사용함.
• CMB 고주파/저주파, 렌즈링, SNIa, BAO 등 다양한 데이터 세트 간의 χ² 비교를 통해 모형 성능 평가.
• 결합되지 않은 EDE(ULA, 지수형 잠재력)와 다양한 어둠의 에너지-어둠의 물질 결합 강도를 가진 결합된 EDE(CDE) 모형을 분석함.
• 자유 질량을 가진 질량이 있는 중성자를 포함하고, 표준 ΛCDM 모형과 결과를 비교함.
• 중성자 질량 분리(Δm²₂₁, Δm²₃₁)에 대한 사전 분포를 적용하여 몬테카를로 샘플링을 수행하고 민감도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초경량 축상(ULA) EDE는 S8 긴장을 악화시키지 않으면서도 허블 긴장을 완화시킬 수 있는가?
• RQ2 어둠의 에너지-어둠의 물질 간의 결합은 물질 군집화를 강화하고, 그로 인해 S8 긴장이 악화되는가?
• RQ3 중성자 총 질량을 자유롭게 변동 가능하게 허용할 경우, 질량이 있는 중성자는 우주론적 긴장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 지수형 잠재력 EDE 모형은 허블 상수나 S8 상수의 긴장에 영향을 미치는가?
• RQ5 현재 우주론적 데이터로부터 어둠의 에너지-어둠의 물질 간의 결합 강도에 대한 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 초경량 축상(ULA) EDE 모형은 σ₁₂를 증가시키지 않으면서도 허블 긴장을 약 2σ 수준으로 줄이며, 대규모 구조 데이터와의 일관성을 유지한다.
• 지수형 잠재력 EDE는 허블 긴장이나 S8 긴장에 유의미한 영향을 미치지 않는다.
• 어둠의 영역 내의 결합은 물질 군집화를 강화시키며, 이는 현재의 데이터로 인해 엄격히 제약을 받는다.
• 중성자 총 질량에 대한 상한선이 너무 낮아, 조건을 유연하게 해도 그 영향은 제한적이다.
• CDE_ULA 모형은 플랑크18+SNIa+BAO 데이터를 피팅할 때 ΛCDM 모형 대비 총 Δχ² 개선 폭 7.87을 기록하며 가장 우수한 성능을 보였다.
• 질량이 있는 중성자를 포함한 ULA 모형은 χ²에 약간의 개선(Δχ² = 3.94)을 가져왔지만, 엄격한 제약 조건으로 인해 영향은 미미했다.