[论文解读] Atomic Dark Matter, Interacting Dark Radiation, and the Hubble Tension

Manuel A. Buen-Abad, Zackaria Chacko+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种新的暗物质模型——nuADaM（新原子暗物质），通过引入相互作用暗辐射（DR）与暗物质（DM）组分之间的紧密耦合流体，解决了哈勃张力问题。DM形成暗原子，在暗复合之后与DR分离，从而在早期产生声学振荡，同时保持DR中的自相互作用，使该模型对宇宙学数据的拟合显著优于ΛCDM或传统原子DM模型。

ABSTRACT

We present a new class of interacting dark sector models that can address the Hubble tension. Interacting dark radiation (DR) has previously been put forward as a solution to the problem, but this proposal is disfavored by the high-$\ell$ cosmic microwave background (CMB) data. We modify this basic framework by introducing a subcomponent of dark matter (DM) that interacts strongly with the DR, so that together they constitute a tightly coupled fluid at early times. We show that if this subcomponent decouples from the interacting DR during the CMB epoch, the $\ell$ modes of the CMB that entered the horizon before decoupling are impacted differently from those that entered after, allowing a solution to the problem. We present a model that realizes this framework, which we dub "New Atomic Dark Matter", or nuADaM, in which the interacting dark matter (iDM) subcomponent is composed of dark atoms, and dark "neutrinos" with long-range interactions contribute to the DR, hence the name of the model. This iDM subcomponent is acoustic at early times but decouples from the DR following dark recombination. In contrast to conventional atomic dark matter (ADM) models, the dark photon is part of a richer DR sector, which ensures that it continues to be self-interacting even after recombination. We show that this model admits a fit to the available cosmological data that is significantly better than both $Λ$CDM and conventional ADM.

研究动机与目标

• 为解决哈勃张力问题，即早期宇宙（普朗克）与晚期宇宙（SH0ES）对H₀测量值之间的持续差异。
• 克服以往相互作用暗辐射（DR）模型的局限性，这些模型因过度的Silk阻尼而被高ℓ CMB数据所排除。
• 构建一个暗区模型，其中暗物质与DR在早期形成紧密耦合流体，但在CMB红移期间发生分离，从而对CMB模式产生差异化影响。
• 构建一个可行的模型——nuADaM，其中暗原子构成DM组分，而来自暗中微子的长程相互作用维持DR在复合后的自相互作用。
• 证明该模型对联合宇宙学数据集的拟合显著优于ΛCDM或标准原子暗物质（ADM）模型。

提出的方法

• 引入一种与相互作用暗辐射（DR）强烈相互作用的暗物质子组分（iDM），在CMB红移期间形成紧密耦合流体。
• 将iDM建模为通过长程相互作用形成的暗原子，以确保其在早期具有声学行为。
• 实施两阶段解耦：iDM子组分在暗复合之后与DR解耦，打破紧密耦合，从而对在解耦前与后进入视界的模式产生不同的CMB功率谱影响。
• 引入具有长程相互作用的暗中微子，以形成自相互作用的DR区域，防止DR在复合后变为自由流体。
• 利用普朗克CMB、BAO和超新星数据进行宇宙学参数推断，将该模型与ΛCDM及传统ADM模型进行对比。
• 通过ΔBIC进行贝叶斯模型比较，量化拟合改进程度，结果表明nuADaM优于ΛCDM和ADM。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含相互作用DR与DM子组分紧密耦合流体的暗区模型，能否在与高ℓ CMB数据一致的前提下解决哈勃张力？
• RQ2 在CMB红移期间，DM子组分与相互作用DR的解耦，如何对在视界之前与之后进入的CMB模式产生不同的影响？
• RQ3 如果DM组分是原子型且与DR解耦，能否在复合后维持一个自相互作用的DR区域？
• RQ4 一个包含暗原子与长程相互作用暗中微子的模型，是否能比ΛCDM或传统原子暗物质模型更好地拟合宇宙学数据？
• RQ5 当将nuADaM模型拟合到联合普朗克、BAO与超新星数据集时，其贝叶斯证据的定量提升相较于ΛCDM与ADM模型如何？

主要发现

• nuADaM模型对宇宙学数据的拟合显著优于ΛCDM与传统原子暗物质（ADM）模型，这一结论由贝叶斯信息准则（ΔBIC）支持。
• 该模型通过在CMB红移期间增强能量密度，减小了声学视界，从而缓解了哈勃张力，这与在复合附近提高H值的要求一致。
• 暗物质子组分（暗原子）在暗复合后与相互作用DR解耦，从而在早期实现声学振荡，同时通过来自暗中微子的长程相互作用维持DR的自相互作用。
• 该模型对普朗克CMB高ℓ数据的拟合优于以往的相互作用DR模型，避免了过度的Silk阻尼，这是由于对不同视界进入时间的CMB模式产生差异化影响。
• 推断参数显示，暗物质组分分数f_adm与一个微小但非零的组分一致，且m_e′/m_p′ ≈ 10^−3.8 至 10^−4.0，表明存在一个轻的暗区。
• 该模型给出H₀ = 68.98⁻¹.³²⁺⁰.⁷⁶ km/s/Mpc（使用数据集D）与H₀ = 72.49⁻⁰.⁸¹⁺⁰.⁷⁶ km/s/Mpc（使用数据集DH），使其与SH0ES测得的73.04 ± 1.04 km/s/Mpc更一致。