[論文レビュー] Impact of the Hubble tension on the $r$-$n_s$ contour

Jun-Qian Jiang, Gen Ye+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 66被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、ハッブル・トランジェンスを解消するための提案された初期ダークエネルギー（EDE）モデルが、テンソル対スカラー比 $r$ とスカラースペクトル傾き $n_s$ の関係をどのように変えるかを調査する。最新のCMB（Planck PR4、ACT、SPT）、BAO、SNデータを用いて、EDEが $n_s$ を1に近づけ、$r$ の上限を厳しくする結果となり、その結果、有効なインフレーションモデルが再定義されることを示している。近い将来のCMB-S4およびLiteBIRD実験により、これらのモデルが高精度で区別可能となる。

ABSTRACT

The injection of early dark energy (EDE) before the recombination, a possible resolution of the Hubble tension, will not only shift the scalar spectral index $n_s$ towards $n_s=1$, but also be likely to tighten the current upper limit on tensor-to-scalar ratio $r$. In this work, with the latest CMB datasets (Planck PR4, ACT, SPT and BICEP/Keck), as well as BAO and SN, we confirm this result, and discuss its implication on inflation. We also show that if we happen to live with EDE, how the different inflation models currently allowed would be distinguished by planned CMB observations, such as CMB-S4 and LiteBIRD.

研究の動機と目的

• 現在の宇宙論的データから導かれる $r$-$n_s$ フォールドに、初期ダークエネルギー（EDE）が与える影響を評価すること。
• ハッブル・トランジェンスを踏まえて、EDEがスカラースペクトル傾き $n_s$ とテンソル対スカラー比 $r$ の制約にどのように影響を与えるかを評価すること。
• EDE下で有効なインフレーションモデルは何かを特定し、CMB-S4やLiteBIRDといった将来の実験がそれらをどのように区別できるかを明らかにすること。
• CMB-S4およびLiteBIRDのEDEシナリオ下での $r$ と $n_s$ の制約力の予測を行い、デリーニングとフォアグラウンド効果を含む。

提案手法

• 最新のCMBデータセット（Planck PR4（hillipop、lollipop、commander尤度）、ACT DR4、SPT-3G Y1およびTTデータ、BICEP/Keck BK18のBBパワー スペクトル）を用いる。
• BAO（6dF、SDSS DR7、eBOSS DR16、BOSS DR12）およびSN（Pantheon+）データを統合し、宇宙論的パラメータを制約する。
• Poulinら（2018）のアキソン様ポテンシャルを用いてEDEをモデル化し、音速のスケールを変化させ、$H_0$ を増加させるが、再結合以降の $Ω_{\Lambda}^{\rm CDM}$ の振る舞いは維持する。
• CosmoSISおよびcobayaを用いた尤度フレームワークを採用し、ダストやシンクロtronフォアグラウンドなどの余剰パラメータを周辺化する。
• CMB-S4（$A_L=0.27$）およびLiteBIRD（$A_L=0.57$）のデリーニングモデルを $A_L$ 効率係数を用いて実装し、$r$ の制約を改善する。
• CMB-S4およびLiteBIRDの感度を、ノイズパワー スペクトルとレンズングモデリングを用いて予測し、$\sigma(n_s) \sim 0.005$ および $\sigma(r) < 10^{-3}$ の期待値を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期ダークエネルギー（EDE）を含めた場合、$\Lambda$CDMと比較して $r$-$n_s$ フォールドはどのようにシフトするか？
• RQ2 EDEが現在のテンソル対スカラー比 $r$ の上限に与える影響は何か。また、インフレーションモデルの妥当性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 EDE下で有効なインフレーションモデルは何か。それらは $\Lambda$CDMで除外されたモデルとはどのように異なるか？
• RQ4 近い将来のCMB-S4およびLiteBIRD実験は、EDE下での異なるインフレーションモデルを区別できるか？
• RQ5 デリーニングとフォアグラウンドモデリングは、EDEシナリオにおける $r$ と $n_s$ の制約精度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• EDEによりスカラースペクトル傾き $n_s$ が $n_s = 1$ 側にシフトし、$H_0 \gtrsim 72$ km/s/Mpc のとき $|n_s - 1| \sim \mathcal{O}(0.001)$ となる。
• EDE下では $r$ の上限が厳しくなる：AdSEDEではPlanck PR4を用いて $r < 0.0424$（95%信頼区間）、axion-like EDEではPR4+ACT+SPTを用いて $r < 0.0457$（95%信頼区間）。
• 従来の $\Lambda$CDMでは有効であったスタロビンスキーインフレーションは、$n_s \to 1$ のシフトによりEDE下で除外される。
• ウォーターフォール遷移を伴うハイブリッドインフレーションモデルは、$r < 0.036$ であっても $n_s \approx 1$ を生成できるため、EDE制約を満たし、今や有効なモデルとなる。
• CMB-S4とLiteBIRDの組み合わせにより、$\sigma(n_s) \sim 0.005$ および $\sigma(r) < 10^{-3}$ を達成でき、EDE下でのインフレーションモデルの区別が可能となる。
• ピvォット波数 $k=0.02$ Mpc$^{-1}$ における $r_2$ の乖離が、$r_{\text{pivot}}$ よりも顕著である。AdSEDEでは $r_2 < 0.0457$、axion-like EDEでは $r_2 < 0.0566$ であり、両者とも $\Lambda$CDMの上限 $r_2 < 0.0656$ を下回っている。