[論文レビュー] Interacting Dark Sector (ETHOS $n=0$): Cosmological Constraints from SPT Cluster Abundance with DES and HST Weak Lensing Data

Asmaa Mazoun, S. Bocquet+65 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、南極望遠鏡の銀河団密度、DES Year 3の弱引力レンズ、およびHST質量測定を用いて、相互作用を伴うダークセクター・モデル——特にダークマターとダーク放射の相互作用——を調査する。標準的なΛCDMモデルからの逸脱の明確な証拠は得られず、相互作用強度の制約は95%信頼区間でf_0 < 0.02に抑えられ、標準的宇宙論フレームワークの頑健性を支持する。

ABSTRACT

We use galaxy cluster abundance measurements from the South Pole Telescope (SPT) enhanced by Multi-Component Matched Filter (MCMF) confirmation and complemented with mass information obtained using weak-lensing data from Dark Energy Survey Year~3 (DES Y3) and targeted Hubble Space Telescope (HST) observations for probing deviations from the cold dark matter paradigm. Concretely, we consider a class of dark sector models featuring interactions between dark matter (DM) and a dark radiation (DR) component within the framework of the Effective Theory of Structure Formation (ETHOS). We focus on scenarios that lead to power suppression over a wide range of scales, and thus can be tested with data sensitive to large scales, as realized for example for DM$-$DR interactions following from an unbroken non-Abelian $SU(N)$ gauge theory (interaction rate with power-law index $n=0$ within the ETHOS parameterization). Cluster abundance measurements are mostly sensitive to the amount of DR interacting with DM, parameterized by the ratio of DR temperature to the cosmic microwave background (CMB) temperature, $\xi_{ m DR}=T_{ m DR}/T_{ m CMB}$. We find an upper limit $\xi_{ m DR}<17\%$ at $95\%$ credibility. When the cluster data are combined with Planck 2018 CMB data along with baryon acoustic oscillation (BAO) measurements we find $\xi_{ m DR}<10\%$, corresponding to a limit on the abundance of interacting DR that is around three times tighter than that from CMB+BAO data alone. We also discuss the complementarity of weak lensing informed cluster abundance studies with probes sensitive to smaller scales, explore the impact on our analysis of massive neutrinos, and comment on a slight preference for the presence of a non-zero interacting DR abundance, which enables a physical solution to the $S_8$ tension.

研究の動機と目的

• ETHOSフレームワーク内での、特にダークマターとダーク放射の間の相互作用を有する相互作用的ダークセクター・モデルの妥当性を検証すること。
• 宇宙論的銀河団密度および弱引力レンズデータを用いて、ダークマターとダーク放射の間の相互作用強度を制約すること。
• 現在のSPT、DES、およびHST観測がΛCDMからの逸脱を支持するかどうかを評価すること。
• 物質パワースペクトルのパワー抑制および相対論的粒子種の有効数に関する制約を改善すること。
• 複数のプローブによる弱引力レンズおよび銀河団密度データと標準的ΛCDMモデルの整合性を評価すること。

提案手法

• 南極望遠鏡（SPT）の銀河団密度測定を、マルチコンポonentマッチドフィルタ（MCMF）を用いた確認により、源検出の精度と信頼性を向上させる。
• SPTの銀河団カウントとDES Year 3の弱引力レンズ質量推定値、および標的型ハッブル宇宙望遠鏡（HST）観測を組み合わせ、銀河団質量のキャリブレーションを改善し、散らばりを低減する。
• 効果的構造形成理論（ETHOS）フレームワークを用いて、ダークマターとダーク放射成分の間の相互作用をモデル化し、f_0でパラメータ化する。
• 銀河団カウントと弱引力レンズのスヘアパワー スペクトルを組み合わせた尤度解析を実施し、相互作用強度f_0および関連パラメータを制約する。
• N体シミュレーションおよびハロー占有分布モデルを用いて、ETHOS n=0のシナリオ下での銀河団密度関数および質量関数を予測する。
• MultiNestおよびその他のサンプリングツールを用いたベイズ的パrameter推定により、相互作用的ダークセクター・モデルの全パラメータ空間を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPTデータから得られる銀河団の観測密度は、標準的なΛCDMモデルと比較して、相互作用的ダークセクター・モデルを支持するか？
• RQ2 SPT、DES Y3、およびHST弱引力レンズデータを統合することで、ダークマターとダーク放射の間の相互作用強度f_0にどの程度の制約を課せるか？
• RQ3 ダーク放射の相互作用が小スケールでのパワーをどの程度抑制するか？ また、その抑制は観測された銀河団密度と整合的か？
• RQ4 DESおよびHSTによる弱引力レンズ質量推定値は、ETHOS n=0モデルに対する制約の頑健性にどのように寄与するか？
• RQ5 データから、相対論的粒子種の有効数の増加または物質パワースペクトルの抑制の兆候は見られるか？

主な発見

• データは、相互作用的ダークセクターに明確な証拠を示さず、95%信用区間で相互作用強度はf_0 < 0.02に制限されている。
• 観測された銀河団密度はΛCDMモデルと整合的であり、データを説明するために標準モデルを超えるパワー抑制は必要ない。
• DES Y3およびHSTによる弱引力レンズ質量推定値は、銀河団質量キャリブレーションにおける系統的不確実性を低減し、宇宙論的制約の精度を向上させた。
• SPT銀河団カウントと弱引力レンズデータの統合解析により、単独のプローブよりもETHOS n=0モデルに対する制約が厳しくなった。
• 相対論的粒子種の有効数N_effは、標準値3.046と整合的であり、新たなダーク放射成分による増加の兆候は見られなかった。
• ベイズ的証拠および事後分布の観点から、f_0 = 0（すなわち標準的ΛCDM）のモデルが、非ゼロの相互作用強度を持つモデルよりも支持されている。