[论文解读] A grounded perspective on New Early Dark Energy using ACT, SPT, and BICEP/Keck

Juan S. Cruz, Florian Niedermann+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文利用来自ACT、SPT和BICEP/Keck的更新CMB数据，以及最新的S$H_{0}$ES本地哈勃常数先验，评估了新早期暗能量（NEDE）模型。结果发现对NEDE有强烈的统计支持，通过在ΛCDM基础上改善拟合度，Δχ²分别为-15.9（ACT）和-23.1（SPT），对非零NEDE分数的偏好达到4.8σ，最佳拟合哈勃常数为72.09 km/s/Mpc。

ABSTRACT

We examine further the ability of the New Early Dark Energy model (NEDE) to resolve the current tension between the Cosmic Microwave Background (CMB) and local measurements of $H_0$ and the consequences for inflation. We perform new Bayesian analyses, including the current datasets from the ground-based CMB telescopes Atacama Cosmology Telescope (ACT), the South Pole Telescope (SPT), and the BICEP/Keck telescopes, employing an updated likelihood for the local measurements coming from the S$H_0$ES collaboration. Using the S$H_0$ES prior on $H_0$, the combined analysis with Baryonic Acoustic Oscillations (BAO), Pantheon, Planck and ACT improves the best-fit by $Δχ^2 = -15.9$ with respect to $Λ$CDM, favors a non-zero fractional contribution of NEDE, $f_{ m NEDE} > 0$, by $4.8σ$, and gives a best-fit value for the Hubble constant of $H_0 = 72.09$ km/s/Mpc (mean $71.48_{-0.81}^{+0.79}$ with $68\%$ C.L.). A similar analysis using SPT instead of ACT yields consistent results with a $Δχ^2 = - 23.1$ over $Λ$CDM, a preference for non-zero $f_{ m NEDE}$ of $4.7σ$ and a best-fit value of $H_0=71.77$ km/s/Mpc (mean $71.43_{-0.84}^{+0.84}$ with $68\%$ C.L.). We also provide the constraints on the inflation parameters $r$ and $n_s$ coming from NEDE, including the BICEP/Keck 2018 data, and show that the allowed upper value on the tensor-scalar ratio is consistent with the $Λ$CDM bound, but, as also originally found, with a more blue scalar spectrum implying that the simplest curvaton model is now favored over the Starobinsky inflation model.

研究动机与目标

• 评估新早期暗能量（NEDE）模型是否能够解决CMB与本地测量之间哈勃常数H₀的张力。
• 评估NEDE与近期高精度CMB数据集（来自ACT、SPT和BICEP/Keck）的一致性。
• 探讨NEDE对暴胀参数的影响，特别是张量标量比r和标量谱指数nₛ。
• 检验NEDE模型相较于ΛCDM是否在全局宇宙学数据拟合上表现更优，包括Planck、BAO、Pantheon和本地H₀测量。

提出的方法

• 使用ACT、SPT和BICEP/Keck 2018 CMB数据的更新似然函数，进行贝叶斯MCMC分析。
• 将最新的S$H_{0}$ES 2021 H₀先验（73.04 ± 1.04 km/s/Mpc）作为分析中的约束条件。
• 通过Δχ²统计量将NEDE模型与标准ΛCDM模型进行比较，以评估其统计偏好。
• 引入重子声学振荡（BAO）和Pantheon超新星数据，以约束哈勃常数和声学视界。
• 分析NEDE对暴胀参数r和nₛ的影响，特别是利用BICEP/Keck 2018数据对张量模式的约束。
• 使用Q_dmap统计量评估模型的全局拟合优度和数据与模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含ACT、SPT和BICEP/Keck CMB数据的情况下，NEDE模型是否显著改善了对宇宙学数据的拟合？
• RQ2 NEDE在多大程度上缓解了哈勃张力，即CMB与本地测量之间H₀差异的程度如何量化？
• RQ3 NEDE模型对张量标量比r和标量谱指数nₛ施加了何种约束，与ΛCDM预期相比如何？
• RQ4 NEDE的偏好是否在不同CMB数据集之间保持稳健，例如ACT与SPT之间？
• RQ5 包含S$H_{0}$ES 2021 H₀先验如何影响NEDE模型的统计显著性？

主要发现

• 在结合Planck、BAO、Pantheon和ACT数据时，NEDE模型相较于ΛCDM的全局拟合优度提升Δχ² = -15.9。
• 在S$H_{0}$ES 2021 H₀先验下，NEDE模型对非零分数贡献f_NEDE > 0表现出4.8σ的偏好。
• NEDE框架下的最佳拟合哈勃常数为H₀ = 72.09 km/s/Mpc，68%可信区间为71.49 ± 0.82 km/s/Mpc。
• 使用SPT数据替代ACT时，Δχ² = -23.1（相较于ΛCDM），对f_NEDE > 0的偏好为4.7σ，最佳拟合H₀为71.77 km/s/Mpc（68%置信区间为71.43 ± 0.85 km/s/Mpc）。
• NEDE模型导致标量谱呈现更蓝的倾斜（更高的nₛ），更有利于最简单的曲胀子模型而非Starobinsky暴胀模型。
• 张量标量比r的上限与ΛCDM的限制保持一致，但数据拟合度的改善支持在NEDE框架下nₛ略高。