[论文解读] Cold New Early Dark Energy pulls the trigger on the $H_0$ and $S_8$ tensions: a simultaneous solution to both tensions without new ingredients

Juan S. Cruz, Florian Niedermann+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用 8

一句话总结

论文表明 Cold NEDE 与对暗物质有微小触发场贡献可以在不引入新成分的情况下同时缓解 H0 和 S8 张力，达到大约 0.134 的偏好 NEDE 分数和 H0 ~ 71.7 km/s/Mpc、S8 ~ 0.793 的结果。

ABSTRACT

In this work, we show that the Cold New Early Dark Energy (Cold NEDE) model in its original form can solve both the Hubble tension and the $S_8$ tension without adding any new ingredients at the fundamental level. So far, it was assumed that the trigger field in the Cold NEDE model is completely subdominant. However, relaxing this assumption and letting the trigger field contribute a mere $0.5\%$ of the total energy density leads to a resolution of the $S_8$ tension while simultaneously improving it as a solution to the $H_0$ tension. Fitting this model to baryonic acoustic oscillations, large-scale-structure, supernovae (including a SH0ES prior), and cosmic microwave background data, we report a preferred NEDE fraction of $f_\mathrm{NEDE}= 0.134^{+0.032}_{-0.025}$ ($68\%$ C.L.), lifting its Gaussian evidence for the first time above $5σ$ (up from $4 σ$ when the trigger contribution to dark matter is negligible). At the same time, we find the new concordance values $H_0 = 71.71 \pm 0.88 \,\mathrm{km}\, \mathrm{sec}^{-1}\, \mathrm{Mpc}^{-1}$ and $S_8 = 0.793 \pm 0.018$. Excluding large-scale structure data and the SH$_0$ES prior, both Gaussian tensions are reduced below the $2 σ$ level.

研究动机与目标

• 在 LambdaCDM 中激发 H0 与 S8 的张力并探索 NEDE 作为同时解决方法的可能性。
• 探究放宽对触发场能量密度可忽略的假设是否能够同时解决两种张力。
• 量化一个小的触发场暗物质分量如何影响宇宙学可观测量与参数约束。
• 提供更新的 TriggerCLASS 实现，以在 NEDE 相转变后跟踪触发场扰动。

提出的方法

• 在 Cold NEDE 中引入一个非可忽略的触发场能量密度 Omega_phi 作为自由参数。
• 将 NEDE 相变建模为由超轻场 phi 演化引发并诱导隧穿的一阶相变。
• 通过更新的 Boltzmann 代码 TriggerCLASS 跟踪相变后的触发场及其扰动来计算线性扰动。
• 在相变后对超轻触发场采用有效流体描述以处理快速振荡。
• 将模型拟合到 BAO、LSS、SN（含 SH0ES prior）和 CMB 数据，以提取 f_NEDE、H0 与 S8。

实验结果

研究问题

• RQ1 当 Omega_phi 允许非零时，具有非零触发场 DM 分数的 Cold NEDE 是否能够同时缓解 H0 和 S8 张力？
• RQ2 当 Omega_phi 允许非零时，偏好的 NEDE 分数能量密度 f_NEDE 是多少？
• RQ3 在 cosmological fit 中加入触发场扰动时，H0 与 S8 的约束如何变化？
• RQ4 结合数据后，触发场质量标标尺及其 UV 完整性有哪些含义？
• RQ5 NEDE 流体状态方程与扰动的建模选择对 NEDE 预测的鲁棒性如何？

主要发现

• 非零触发场 DM 分数得到 f_NEDE = 0.134^{+0.032}_{-0.025} (68% CL)，高斯证据超过 5σ。
• 模型偏好 H0 = 71.71 ± 0.88 km/s/Mpc 与 S8 = 0.793 ± 0.018。
• 排除 LSS 数据和 SH0ES prior 时，H0 与 S8 张力下降至均低于约 2σ。
• 包含 LSS 与 SH0ES prior 仍保持张力较小，同时与 LSS 兼容。
• 该方法在 Cold NEDE 框架内实现了同时解决两种张力，而未引入额外的新成分。