[论文解读] Constraining decaying dark matter with BOSS data and the effective field theory of large-scale structures

Théo Simon, Guillermo Franco Abellán+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 174被引用 72

一句话总结

本论文首次利用有效场论大尺度结构理论（EFTofLSS）对BOSS-DR12数据进行分析，计算了衰变暗物质模型中温和非线性的星系功率谱。研究约束了两种模型——冷暗物质（CDM）衰变为暗辐射（DR），以及CDM衰变为DR加具有质量的温暗物质（WDM）——发现EFTofBOSS数据显著提升了对CDM寿命的约束，尤其在结合KiDS-1000的S8先验时，更倾向于支持较长的寿命（τ ≈ 120 Gyr），从而有助于缓解S8张力问题。

ABSTRACT

We update cosmological constraints on two decaying dark matter models in light of BOSS-DR12 data analyzed under the Effective Field Theory of Large-Scale Structures (EFTofLSS) formalism, together with Planck, Pantheon and other BOSS measurements of the baryonic acoustic oscillation (BAO). In the first model, a fraction $f_{ m dcdm}$ of cold dark matter (CDM) decays into dark radiation (DR) with a lifetime $ au$. In the second model (recently suggested as a potential resolution to the $S_8$ tension), all the CDM decays with a lifetime $ au$ into DR and a massive warm dark matter (WDM) particle, with a fraction $\varepsilon$ of the CDM rest mass energy transferred to the DR. Using numerical codes from the recent literature, we perform the first calculation of the mildly non-linear (matter and galaxy) power spectra with the EFTofLSS for these two models. In the case of DR products, we obtain the constraints $f_{ m dcdm}\lesssim0.022$ (95\% C.L.) for lifetimes shorter than the age of the universe, and $ au/f_{ m dcdm} \gtrsim 250$ Gyr in the long-lived regime assuming $f_{ m dcdm} o1$. We show that Planck data contributes the most to these constraints, with EFTofBOSS providing a marginal improvement over conventional BAO and redshift space distortions ($f\sigma_8$) data. In the case of DR and WDM decay products, we find that EFTofBOSS data significantly improves the constraints at 68\% C.L. on the CDM lifetime with a $S_8$ prior from KiDS-1000. We show that, in order to fit EFTofBOSS data while lowering $S_8$ to match KiDS-1000, the best-fit model has a longer lifetime $ au = 120$ Gyr, with a larger kick velocity $v_{ m kick}/c \simeq \varepsilon \simeq 1.2\%$, than that without EFTofBOSS ($ au = 43$ Gyr, $\varepsilon =0.6\%$). We anticipate that future surveys will provide exquisite constraints on such models.

研究动机与目标

• 利用EFTofLSS形式化方法计算衰变暗物质模型中温和非线性物质与星系功率谱的首次结果。
• 检验通过EFTofLSS分析BOSS数据是否相比传统BAO和fσ8数据能改善对衰变暗物质模型的宇宙学约束。
• 评估衰变暗物质模型是否能缓解S8张力，特别是当结合KiDS-1000的S8先验时。
• 评估普朗克CMB数据与EFTofBOSS在约束衰变参数（如寿命τ、fdcdm或能量分数ε）方面的作用。

提出的方法

• 采用EFTofLSS形式化方法建模红移空间中的全形状星系功率谱，通过抵消项引入非线性修正。
• 应用近期文献中的数值代码，计算两种DCDM模型（CDM → DR 和 CDM → WDM + DR）的温和非线性物质与星系功率谱。
• 使用Planck CMB、BOSS-DR12 BAO、fσ8、Pantheon SNIa和KiDS-1000 S8数据，通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析约束模型参数。
• 引入来自BOSS的EFTofLSS数据，以改善对CDM衰变寿命τ及衰变分数fdcdm或能量转移分数ε的约束。
• 使用公开代码（如MontePython和CLASS）进行包含EFTofLSS修正的宇宙学参数推断。
• 对比包含与不包含EFTofBOSS数据的结果，以分离其对参数约束的影响，特别是对S8张力的缓解作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统BAO和fσ8数据相比，EFTofLSS形式化方法是否能改善对衰变暗物质模型的约束？
• RQ2 在CDM → DR模型中，对CDM衰变寿命τ和衰变分数fdcdm的约束如何，特别是当寿命与宇宙年龄相当或更短时？
• RQ3 在CDM → WDM + DR模型中，引入EFTofBOSS数据后，对CDM寿命τ的约束如何变化，特别是在缓解S8张力的背景下？
• RQ4 具有质量衰变产物的衰变暗物质模型能否成功降低σ8以匹配KiDS-1000的较低S8值？哪些衰变参数更受青睐？
• RQ5 Planck CMB数据在约束中贡献多大？EFTofBOSS带来的边际改善程度如何？

主要发现

• 在CDM → DR模型中，对于寿命短于宇宙年龄的情况，95%可信区间内约束为fdcdm ≲ 0.022。
• 在长寿命区域（fdcdm → 1），约束为τ/fdcdm ≳ 250 Gyr，表明CDM寿命极长。
• 对于CDM → DR模型，EFTofBOSS数据相比传统BAO和fσ8数据仅带来边际改善，而Planck CMB数据主导了约束结果。
• 在CDM → WDM + DR模型中，当结合KiDS-1000的S8先验时，EFTofBOSS数据显著改善了对CDM寿命τ在68%可信区间的约束。
• 为匹配KiDS-1000的较低S8值，最佳拟合模型要求CDM寿命τ = 120 Gyr，且反冲速度vkick/c ≃ ε ≃ 1.2%，而无EFTofBOSS时则为τ = 43 Gyr，ε = 0.6%。
• 本研究预计未来巡天将对衰变暗物质模型提供更紧的约束，特别是针对S8张力问题。