[论文解读] A Step in Understanding the $S_8$ Tension

Melissa Joseph, Daniel Aloni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 16

一句话总结

本文提出了一种具有暗物质耦合质量阈值的暗区模型（WZDR+），该模型在自相互作用暗辐射中引入质量阈值，可同时缓解 $H_0$ 和 $S_8$ 矛盾。该模型通过在 $z_t \sim 20,000$ 附近实现红移依赖的耦合关闭，抑制小尺度功率，自然地得到 $S_8 \approx 0.77$，与弱引力透镜观测数据一致，且低于 $\Lambda$CDM 模型中由 CMB 预测的 $S_8$ 值。

ABSTRACT

Models of dark sectors with a mass threshold can have important cosmological signatures. If, in the era prior to recombination, a relativistic species becomes nonrelativistic and is then depopulated in equilibrium, there can be measurable impacts on the cosmic microwave background as the entropy is transferred to lighter relativistic particles. In particular, if this ``step'' occurs near $z\sim 20,000$, the model can naturally accommodate larger values of $H_0$. If this stepped radiation is additionally coupled to dark matter, there can be a meaningful impact on the matter power spectrum as dark matter can be coupled via a species that becomes nonrelativistic and depleted. This can naturally lead to suppressed power at scales inside the sound horizon before the step, while leaving conventional cold dark matter signatures for power outside the sound horizon. We study these effects and show such models can naturally provide lower values of $S_8$ than scenarios without a step. This suggests these models may provide an interesting framework to address the $S_8$ tension, both in concert with the $H_0$ tension and without.

研究动机与目标

• 研究暗物质耦合的暗辐射中质量阈值是否能缓解 $S_8$ 矛盾。
• 探讨 $H_0$ 与 $S_8$ 矛盾是否在具有单一质量阈值的暗区中具有共同起源。
• 检验 $H_0$ 所偏好之过渡红移 $z_t \sim 20,000$ 是否自然导致与弱引力透镜观测一致的抑制 $S_8$ 值。
• 研究红移依赖耦合关闭的物理现象，该现象在声学视界内尺度抑制功率，同时在大尺度保持 CDM 行为。

提出的方法

• 该模型通过在暗物质与暗辐射流体中引入一个大质量标量的 Yukawa 耦合，扩展了 Wess-Zumino 暗辐射（WZDR）框架。
• 当标量变为非相对论性时，耦合强度迅速减小，从而产生在 $z_t \sim 20,000$ 处关闭的红移依赖有效相互作用。
• 该模型使用修改后的 Boltzmann 求解器计算物质功率谱，以考虑时间依赖耦合及步骤中的熵转移。
• 通过在组合数据集（CMB（Planck）、BAO、弱引力透镜（KiDS-1000、DES Y3）和哈勃流（SH0ES））上进行 MCMC 采样，推导宇宙学约束。
• 通过在非相对论性转变时，将大质量标量的熵转移至无质量费米子，计算有效辐射密度。
• 表明在 $z_t \sim 20,000$ 处的声学视界尺度约为 $\sim 10\,h^{-1}\text{Mpc}$，与 $S_8$ 抑制尺度一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在与暗物质耦合的暗辐射中，质量阈值是否能自然抑制物质功率谱的小尺度功率？
• RQ2 $H_0$ 所偏好之过渡红移 $z_t \sim 20,000$ 是否导致与弱引力透镜观测一致的 $S_8$ 值？
• RQ3 该模型是否在不损害 CMB 或其他大尺度结构数据拟合的前提下缓解 $S_8$ 矛盾？
• RQ4 暗物质-暗辐射耦合的红移依赖关闭如何影响不同尺度上的物质功率谱？

主要发现

• 该模型的最佳拟合 $S_8 \approx 0.77$，与 KiDS-1000 和 DES Y3 的弱引力透镜测量结果一致（$S_8 = 0.769 \pm 0.016$）。
• 相同的机制也缓解了 $H_0$ 矛盾，得到 $H_0 \approx 73\,\text{km/s/Mpc}$，与 SH0ES 测量值一致。
• 尽管单独在 $\mathcal{D}$ 数据集中偏好微弱，但 $z_t \sim 20,000$ 在 $\mathcal{D}$、$\mathcal{DS}$、$\mathcal{DH}$ 和 $\mathcal{DHS}$ 多个数据集中均被稳健偏好。
• 功率抑制仅发生在 $\sim 10\,h^{-1}\text{Mpc}$ 及以下尺度，对应于 $z_t \sim 20,000$ 处的声学视界，从而保持大尺度 CDM 物理行为。
• 该模型自然地将 $S_8$ 矛盾解释为 $H_0$ 所偏好之质量阈值的结果，暗示两个矛盾具有共同起源。
• 不同数据集的 $z_t$ 后验分布一致，表明该模型具有非平凡的一致性检验，进一步增强了其可行性。