[논문 리뷰] Self-interacting neutrinos, the Hubble parameter tension, and the Cosmic Microwave Background

Thejs Brinckmann, Jae Hyeok Chang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 21.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 158인용 수 97

한 줄 요약

이 논문은 플랑크 2018 CMB 및 BAO 데이터를 사용하여 자가상호작용 중성자가 허블 파라미터 갈등을 완화시킬 수 있는지 조사한다. 여러 시나리오—완전한 자가상호작용, 두 개의 자유류동 중성자, 가변 상호작용 비율, 변화하는 효과적 중성자 종류 수(Neff)를 검토한 결과, 새로운 중성자 상호작용에 대한 설득력 있는 증거는 없었으며, 오히려 모든 모델이 자유류동 입자의 가변 Neff만큼의 허블 갈등 감소를 이루지 못했다.

ABSTRACT

We perform a comprehensive study of cosmological constraints on non-standard neutrino self-interactions using cosmic microwave background (CMB) and baryon acoustic oscillation data. We consider different scenarios for neutrino self-interactions distinguished by the fraction of neutrino states allowed to participate in self-interactions and how the relativistic energy density, N$_{ extrm{eff}}$, is allowed to vary. Specifically, we study cases in which: all neutrino states self-interact and N$_{ extrm{eff}}$ varies; two species free-stream, which we show alleviates tension with laboratory constraints, while the energy in the additional interacting states varies; and a variable fraction of neutrinos self-interact with either the total N$_{ extrm{eff}}$ fixed to the Standard Model value or allowed to vary. In no case do we find compelling evidence for new neutrino interactions or non-standard values of N$_{ extrm{eff}}$. In several cases we find additional modes with neutrino decoupling occurring at lower redshifts $z_{ extrm{dec}} \sim 10^{3-4}$. We do a careful analysis to examine whether new neutrino self-interactions solve or alleviate the so-called $H_0$ tension and find that, when all Planck 2018 CMB temperature and polarization data is included, none of these examples ease the tension more than allowing a variable N$_{ extrm{eff}}$ comprised of free-streaming particles. Although we focus on neutrino interactions, these constraints are applicable to any light relic particle.

연구 동기 및 목표

• 자가상호작용 중성자가 허블 파라미터 갈등을 해결할 수 있는지 평가하기.
• CMB 및 BAO 데이터를 사용하여 비표준 중성자 자가상호작용을 제약하기.
• 자가상호작용 중성자 상태 수와 효과적 상대론적 자유도 수(Neff)가 변하는 시나리오 탐색하기.
• 후기 탈구 중성자 상호작용이 CMB 이방성에 영향을 주는지 평가하기.
• 이러한 모델이 늦은 시기 우주론적 측정에서 S8 갈등을 악화시키는지 여부를 판단하기.

제안 방법

• 주요 관측 입력으로 플랑크 2018 온도 및 편광 CMB 데이터를 사용한다.
• 우주론적 편미분 이론을 적용하여 중성자 자가상호작용과 CMB 스펙트럼에 미치는 영향을 모델링한다.
• 네 가지 다른 시나리오를 고려한다: 가변 Neff와 함께 완전한 자가상호작용, 가변 상호작용 상태를 가진 두 개의 자유류동 중성자, 고정된 Neff와 가변 자가상호작용 비율, 가변 Neff와 비율을 동시에 고려한 병합 시나리오.
• 모델 파라미터를 제약하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 활용한다.
• BOSS 및 DES의 BAO 데이터를 비교하여 제약 조건을 향상시킨다.
• 추가적인 중성자 상호작용 모드를 위해 탈구 적색편이(zdec ~ 10^3–10^4)를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 모델과 비교할 때 자가상호작용 중성자가 허블 파라미터 갈등을 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 두 개의 자유류동 중성자 상태를 가진 시나리오는 신규 상호작용에 대한 실험실 제약과의 갈등을 완화하는가?
• RQ3 Neff를 표준 모형 값(3.046)으로 고정했을 때 자가상호작용 중성자 비율이 변할 경우 어떤 제약이 도출되는가?
• RQ4 가변 Neff와 가변 자가상호작용 비율을 동시에 고려한 모델은 자유류동 Neff에 비해 허블 갈등 완화에 더 효과적인가?
• RQ5 이러한 자가상호작용 모델은 늦은 시기의 우주론적 측정에서 S8 갈등을 악화시키는가?

주요 결과

• 연구한 네 가지 시나리오 전반에 걸쳐 새로운 중성자 자가상호작용에 대한 설득력 있는 증거는 발견되지 않았다.
• 일부 경우에서 추가적인 중성자 상호작용 모드가 탈구 적색편이 zdec ≈ 10^3–10^4에서 유추되었다.
• 모든 플랑크 2018 CMB 데이터를 포함할 경우, 자가상호작용 모델 중 어느 것도 자유류동 입자의 가변 Neff만큼의 허블 갈등 감소를 이루지 못했다.
• 두 개의 자유류동 중성자 상태를 가진 시나리오는 새로운 상호작용에 대한 실험실 제약과의 갈등을 감소시켰다.
• 가변 Neff와 자가상호작용 비율을 모두 고려한 모델은 허블 갈등 완화에 있어 표준 자유류동 Neff보다 뛰어나지 못했다.
• 경량 잔여 입자에 대한 제약은 보편적으로 적용되며, 이는 효과가 순수하게 중력적이며 에너지 밀도와 탈구 적색편이에만 의존하기 때문이다.