[論文レビュー] The cosmological lithium problem, varying constants and the $H_0$ tension

S. A. Franchino-Viñas, M. E. Mosquera|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、微細構造定数、ヒッグス真空期待値、ニュートン定数の同時変動が、宇宙論的リチウム問題と$H_0$緊張を同時に緩和できることを提案している。ビッグバン核合成（BBN）期にこれらの定数を変動可能とし、観測された軽い元素の同位体比にフィットさせた結果、$N_{\text{eff}} = 4.04 \pm 0.12$が得られ、これがプランクCMBデータに外挿された際に$H_0 = 71.85 \pm 0.77\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$をもたらし、直接測定値と整合的である。

ABSTRACT

In this work we show that the cosmological lithium problem and the $H_0$ tension could be eased at the same time by allowing variations in the fundamental constants. We compute the primordial abundances of light elements resulting from Big Bang Nucleosynthesis considering the fine structure constant, the Higgs' vacuum expectation value and Newton's constant as free parameters. Using the observational data for abundances, we set constraints on the variations of the fundamental constants. An interpretation of the results in terms of the number of effective relativistic species gives $N_{ m eff}=4.04\pm0.12$. If one extrapolates the fit of {\sffamily Planck} considering this $N_{ m eff}$, the value of the inferred Hubble's constant shifts to $H_0=(71.85\pm0.77)\, ext{km}\, ext{s}^{-1} ext{Mpc}^{-1}$, compatible with current direct determinations.

研究の動機と目的

• 基本定数の変動が、同時に宇宙論的リチウム問題と$H_0$緊張を解決できるかどうかを調査すること。
• 微細構造定数、ヒッグス真空期待値、ニュートン定数がビッグバン核合成（BBN）期に変動可能であると仮定した場合、理論的予測と観測された軽い元素の同位体比を一致させられるかどうかを検証すること。
• このような定数の変動が、CMBから推定される$H_0$と直接測定値との乖離を軽減する$N_{\text{eff}}$の値をもたらすかどうかを評価すること。
• 基本定数の変動に関する制約を通じて、新しい物理を探索するモデルに依存しない枠組みを提供すること。

提案手法

• BBN期における微細構造定数（$\alpha$）、ヒッグス真空期待値（$\langle v\rangle$）、ニュートン定数（$G_N$）の自由パラメータを含むように、AlterBBNコードを改変した。
• 初期宇宙における軽い元素の同位体比（リチウム、重水素、ヘリウム4）の観測データにモデルをフィットさせるために、$\chi^2$統計的検定を用いた。
• 修正されたフレリデュ方程式を介して、$G_N$の変動を有効な相対的自由度数（$\Delta N_{\text{eff}}$）の変化と結びつけた。
• 先行研究から得られた、重水素結合エネルギーが$\langle v\rangle$に依存する理論的依存関係と、核反応速度が$\alpha$に依存する関係を組み込んだ。
• BBNとCMBデータの共同フィットを実施し、新しい物理の代理として$N_{\text{eff}}$を用い、異なるパラメータ化のもとで$H_0$の制約を導出した。
• Cepheidを用いた$H_0$測定値をガウス尤度としてモデル化し、フィットから得られた$H_0$と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい素粒子物理学を仮定せずに、基本定数の変動が宇宙論的リチウム問題を解決できるか？
• RQ2 同じ定数の変動が、CMBと直接測定値の間の$H_0$緊張を同時に緩和できるか？
• RQ3 定数を変動可能とみなした場合、BBNの理論的予測と観測された軽い元素の同位体比を一致させるために必要な$N_{\text{eff}}$の値は何か？
• RQ4 $N_{\text{eff}}$をBBNデータに適合させるように調整した場合、$\alpha$および$\langle v\rangle$の変動が推定される$H_0$に与える影響は何か？
• RQ5 BBNフィットから得られる$H_0$は、Cepheidを用いた測定値$73.2 \pm 1.3\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$と整合的か？

主な発見

• 有効な相対的自由度数の最良適合値は$N_{\text{eff}} = 4.04 \pm 0.12$であり、標準的な$N_{\text{eff}} = 3.046$とは顕著な乖離を示している。
• この$N_{\text{eff}}$の値は、プランクCMBデータに外挿された際に、$H_0 = 71.85 \pm 0.77\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$に相当し、Cepheidを用いた測定値$73.2 \pm 1.3\ \text{km}\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$と整合的である。
• 観測同位体比と整合させるためには、微細構造定数（$\alpha$）とヒッグス真空期待値（$\langle v\rangle$）が1%レベルで変動する必要がある。
• $\chi^2$フィットの結果、リチウムを含むすべての軽い元素の同位体比が、1$\sigma$レベルで顕著な重なりを持つ非空のパラメータ空間領域に一致した。
• 好ましい$\Delta N_{\text{eff}} \sim 1$は、CMB側から$H_0$緊張を解消するのに必要な量と整合しており、新しい相対的自由度の共通の起源を示唆している。
• パrameter $\langle v\rangle$ を自由パラメータとして含めても結果は安定しており、ステアリルニュートリノ（$N_{\text{eff}}$の過剰の候補）の存在と両立可能である。