[논문 리뷰] Dark matter nugget and new early dark energy from interacting neutrino: A promising solution to Hubble anomaly

Antareep Gogoi, Prolay Chanda외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 25.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초기 물질-복사 평형 이전에 조우하는 비가역적 중성자와 동적 스칼라 장이 조화를 이루며 초기 암흑 에너지(EDE)를 형성하는 통합 모델을 제안한다. 중성자가 비상대론적으로 되면, 파울리 원리에 의한 페르미 압력과 스칼라 장의 인력이 균형을 이루며 안정적인 냉각 암흑 물질 유사의 덩어리로 붕괴되며, 이는 재결합 이전에 자동으로 EDE 행동이 끝나도록 하여 늦은 시기의 제약 조건을 피한다.

ABSTRACT

We present a novel scenario, in which light (mass $\sim$ few m{eV}) sterile neutrinos interact with a dynamical scalar field and for some duration prior to matter-radiation equality (MRE), the neutrino-scalar fluid behaves like early dark energy (EDE) as the field adiabatically stays at minimum of effective potential. In this scenario, when (sterile) neutrino becomes non-relativistic before MRE, we show that, neutrino-scalar fluid develops instability in perturbations followed by formation of neutrino-nuggets which redshifts like cold dark matter. The sterile fermions get trapped in nuggets of degenerate matter that are stable over cosmological timescales. As the scalar field adiabaticaly relaxes into the minimum of an effective potential of neutrino-scalar interaction, the early dark energy behaviour of the neutrino-scalar fluid increases the local Hubble expansion rate and relaxes Hubble anomaly. As neutrino mass scale is comparable to MRE temperature, the duration and scale of this early DE happens naturally prior to recombination. As it goes through an intermediate phase of nugget formation, we find that our model does not worsen $S_8$ tension. As soon as the nugget forms, the neutrinos decouple from the scalar field and the combined fluids no longer behave like EDE, thus escaping the constraints from late time cosmology. The stability of the dark matter nugget is achieved when the Fermi pressure balances the attractive scalar force and we numerically find the mass and radius of nuggets by solving the static configuration. We also show that the nugget lifetime can be easily greater than the age of the Universe.

연구 동기 및 목표

• 물질-복사 평형 이전에 일시적인 초기 암흑 에너지(EDE) 단계를 도입하여 허블 긴장을 해결한다.
• 비가역적 중성자가 스칼라 장과 상호작용하면서 안정적이고 냉각된 암흑 물질 덩어리가 어떻게 형성되는지 설명한다.
• EDE 단계가 재결합 이전에 끝나도록 보장하여 늦은 시기의 천체물리 관측 제약 조건을 피한다.
• 모델이 $S_8$ 긴장을 악화시키지 않음을 입증한다.
• 우주론적 시간 척도 동안 암흑 물질 덩어리의 장기적 안정성을 확립한다.

제안 방법

• 스칼라 장이 효과적 포텐셜의 최소점으로 꾸준히 진화하는 다이나믹 시스템으로 중성자-스칼라 유체를 모델링한다.
• 효과적 포텐셜을 사용하여 초기 암흑 에너지 행동에서 냉각 암흑 물질 유사 덩어리 형성으로의 전이를 기술한다.
• 정적 구조 방정식을 적용하여 중성자 덩어리의 질량과 반경을 수치적으로 해석한다.
• 기계적 안정성을 확보하기 위해 스칼라 인력과 페르미 압력을 균형 잡는다.
• 중성자-스칼라 유체의 불안정성 발생 시점을 파악하기 위해 진동의 진화를 추적한다.
• 비가역적 중성자 질량 척도를 MRE 온도와 유사하게 조정하여 EDE 단계가 재결합 이전에 끝나도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질-복사 평형 이전에 비가역적 중성자-스칼라 상호작용 모델에서 일시적인 초기 암흑 에너지 단계가 자연스럽게 발생할 수 있는가?
• RQ2 비가역적 중성자가 비상대론적으로 되었을 때 스칼라 장과 상호작용하면서 안정적이고 냉각된 암흑 물질 덩어리가 어떻게 형성되는가?
• RQ3 이 모델에서 유도된 암흑 물질 덩어리의 질량과 반경은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 이 모델은 $S_8$ 긴장을 악화시키지 않고 허블 긴장을 성공적으로 해결하는가?
• RQ5 늦은 시기 천체물리학 제약 조건을 피하기 위해 EDE 단계를 재결합 이전에 종료시킬 수 있는가?

주요 결과

• 스칼라 장이 효과적 포텐셜의 최소점으로 꾸준히 진화함에 따라 중성자-스칼라 유체는 초기 암흑 에너지 행동을 나타낸다.
• 중성자-스칼라 유체가 비상대론적으로 되면서 불안정해지면 냉각 암흑 물질 유사 응집이 발생한다.
• 덩어리의 질량과 반경은 정적 평형 방정식을 풀어 결정되며, 안정성은 페르미 압력이 스칼라 인력을 상쇄함으로써 확보된다.
• 비가역적 중성자 질량 척도가 MRE 온도와 유사하므로 EDE 단계는 자연스럽게 재결합 이전에 끝나며, 늦은 시기 천체물리 관측 제약 조건을 피할 수 있다.
• 덩어리 형성이 충분히 이르기 때문에 EDE 행동에서 유체가 분리되어 $S_8$ 긴장이 악화되지 않으며, 모델은 이에 대응한다.
• 수치적 결과는 덩어리의 수명이 우주의 연령를 초월함을 확인하여 장기적인 우주론적 안정성을 보장한다.