[論文レビュー] Symmetry of Cosmological Observables, and a High Hubble Constant as an Indicator of a Mirror World Dark Sector

Francis-Yan Cyr-Racine, Fei Ge+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、重力自由落下率と光子散乱率の均一なスケーリングに対して、次第に不変となる宇宙論的観測量における対称性を提案する。この対称性は、鏡世界ダークセクターを介して実現され、観測されたCMBおよび大規模構造データを維持しつつ、高いハッブル定数（$H_0 \approx 73$ km/s/Mpc）を説得可能にするが、ビッグバン核合成からの原始ヘリウムおよび重水素の同位体比には矛盾が残る。

ABSTRACT

We find that a uniform scaling of the gravitational free-fall rates and photon-electron scattering rate leaves most dimensionless cosmological observables nearly invariant. This result opens up a new approach to reconciling cosmic microwave background and large-scale structure observations with high values of the Hubble constant $H_0$: Find a cosmological model in which the scaling transformation can be realized without violating any measurements of quantities not protected by the symmetry. A "mirror world" dark sector allows for effective scaling of the gravitational free-fall rates while respecting the measured mean photon density today. Further model building might bring consistency with the two constraints not yet satisfied: the inferred primordial abundances of deuterium and helium.

研究の動機と目的

• 高水準の$H_0$測定値とCMBデータからの$\Lambda$CDM予測との間のハッブル・トランスを解消すること。
• 重力的自由落下時間スケールおよび散乱時間スケールのスケーリングに対して、CMB非等方性や大規模構造といった次元なし量を不変に保つ宇宙論的観測量における対称性を同定すること。
• 観測された光子密度および原始同位体比制約に違反しない形で、この対称性を実現する実現可能な宇宙論的モデルを構築すること。
• 鏡世界ダークセクターが、重力的自由落下率および散乱率の有効スケーリングを可能にしつつ、主要な観測量を維持できるかどうかを検討すること。
• このようなモデルが、ヘリウム4および重水素の原始核合成制約との整合性を示すかどうかを評価すること。

提案手法

• すべての長さおよび時間スケールを赤方偏移にわたって一様にスケーリングする変換$H \to \lambda H$, $k \to \lambda k$, $\dot{\kappa} \to \lambda \dot{\kappa}$を導入する。
• 物理的密度スケール$\sqrt{G\rho_i} \to \lambda \sqrt{G\rho_i}$の下で、光子、バリオン、CDM、ニュートリノの線形ボルツマン方程式がこの変換に対して不変であることを示す。
• 零ニュートリノ質量および平衡再結合の極限において、この対称性がCMB温度および偏光非等方性、銀河の過密度、距離比を不変に保つことを示す。
• 観測された今日の光子密度に違反しない形で、このスケーリング対称性を実現するための鏡世界ダークセクターを提案する。
• 光子散乱率のスケーリングを達成するため、原始ヘリウム割合$Y_{\rm P}$を調整可能なパラメータとして用いる。
• 非零ニュートリノ質量および非平衡再結合による対称性破れ効果の影響を分析し、それらが弱い影響にとどまることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力的自由落下率および散乱率の時間スケールの均一なスケーリングが、主要な宇宙論的観測量を不変に保てるか？
• RQ2 もしCMBおよび大規模構造データにおいてこの対称性が保持されるならば、ハッブル・トランスはどのように解消できるか？
• RQ3 鏡世界ダークセクターが、$\sqrt{G\rho_i}$および$\dot{\kappa}$の必要なスケーリングを実現しつつ、光子密度制約に違反しないか？
• RQ4 この対称性が、特に$Y_{\rm P}$および重水素に関して原始核合成の同位体比に与える影響は何か？
• RQ5 非平衡再結合および非零ニュートリノ質量といった現実世界の逸脱が、対称性をどの程度破壊するか？

主な発見

• このスケーリング対称性は、$H$, $k$, および$\dot{\kappa}$の均一なスケーリングの下で、すべての次元なしの宇宙論的観測量—CMB非等方性、偏光、銀河の過密度—を不変に保つ。
• 零ニュートリノ質量および平衡再結合の極限において、この対称性は正確に成立し、現実世界の逸脱による対称性破れ効果は弱いことが判明した。
• 鏡世界ダークセクターにより、観測された今日の平均光子密度を尊重しつつ、重力的自由落下率の有効スケーリングが可能になる。
• このモデルは、原則として高水準の$H_0 \approx 73$ km/s/MpcをCMBおよび大規模構造データと整合させつつ取り入れられる。
• 主な課題は、散乱率スケーリングに必要な$Y_{\rm P}$が、ビッグバン核合成からの観測された原始ヘリウムおよび重水素の同位体比と一致しない点にある。
• 対称性変換は、解を$\tilde{\Phi}(k,\dot{\kappa},a,\lambda) = \Phi(k/\lambda, \dot{\kappa}/\lambda, a, \lambda=1)$として写像する。これは、スケーリングされたモデルが元のモデルと同一の観測量を再現することを示している。