[论文解读] Constraints on decaying dark matter with DES-Y1 and external data

Angela Chen, Dragan Huterer+82 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本研究探讨了衰变暗物质（DDM）模型，以缓解早期与晚期观测之间的宇宙学张力。利用DES-Y1 3x2pt、Planck CMB、SN Ia和BAO数据，该研究将衰变分数 $ξ$ 约束在DES-Y1数据中为 <0.32（68% 置信水平），在联合数据集中为 <0.037，将 $S_8$ 张力从2.3$σ$ 降低至1.9$σ$，但未解决哈勃张力问题。

ABSTRACT

We study a class of decaying dark matter models as a possible resolution to the observed discrepancies between early- and late-time probes of the universe. This class of models, dubbed DDM, characterizes the evolution of comoving dark matter density with two extra parameters. We investigate how DDM affects key cosmological observables such as the CMB temperature and matter power spectra. Combining 3x2pt data from Year 1 of the Dark Energy Survey,Planck-2018 CMB temperature and polarization data, Supernova (SN) Type Ia data from Pantheon, and BAO data from BOSS DR12, MGS and 6dFGS, we place new constraints on the amount of dark matter that has decayed and the rate with which it converts to dark radiation. The fraction of the decayed dark matter in units of the current amount of dark matter, $\zeta$, is constrained at 68% confidence level to be <0.32 for DES-Y1 3x2pt data, <0.030 for CMB+SN+BAO data, and <0.037 for the combined dataset. The probability that the DES and CMB+SN+BAO datasets are concordant increases from 4% for the $\Lambda$CDM model to 8% (less tension) for DDM. Moreover, tension in $S_8=\sigma_8\sqrt{\Omega_m/0.3}$ between DES-Y1 3x2pt and CMB+SN+BAO is reduced from 2.3$\sigma$ to 1.9$\sigma$. We find no reduction in the Hubble tension when the combined data is compared to distance-ladder measurements in the DDM model. The maximum-posterior goodness-of-fit statistics of DDM and $\Lambda$CDM are comparable, indicating no preference for the DDM cosmology over $\Lambda$CDM.

研究动机与目标

• 探讨衰变暗物质（DDM）模型是否能缓解早期与晚期宇宙学探测之间的差异。
• 量化暗物质衰变对关键可观测量（如CMB温度功率谱和物质功率谱）的影响。
• 利用多探针数据约束已衰变的暗物质比例（$\zeta$）和衰变速率。
• 评估DDM模型相较于 $Λ$CDM模型在 $S_8$ 和哈勃常数张力方面是否有所缓解。

提出的方法

• DDM模型通过引入两个额外参数，描述暗物质密度随时间衰变为暗辐射的演化过程。
• 分析结合了DES第一年（DES Year 1）的3x2pt数据与Planck-2018的CMB温度和极化数据。
• 引入超新星Ia（Pantheon）和BAO（BOSS DR12、MGS、6dFGS）数据集，以提高宇宙学参数的约束精度。
• 使用贝叶斯推断计算后验分布，以估计 $\zeta$ 及其他参数在多个数据集中的值。
• 通过比较DDM与 $\Lambda$CDM模型的拟合优度统计量，评估模型偏好性。
• 通过统计相容性检验评估DES-Y1与CMB+SN+BAO数据集之间的协调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 衰变暗物质模型是否能缓解DES-Y1 3x2pt与CMB+SN+BAO数据之间在 $S_8$ 上的张力？
• RQ2 在68%置信水平下，已衰变暗物质比例（$\zeta$）的上限是多少？
• RQ3 与径迹距离测量相比，DDM模型是否能缓解哈勃张力？
• RQ4 在联合数据集中，DDM模型的拟合优度与 $\Lambda$CDM模型相比如何？
• RQ5 DDM模型在多大程度上改善了早期与晚期宇宙学探测之间的统计协调性？

主要发现

• 仅使用DES-Y1 3x2pt数据，已衰变暗物质比例 $\zeta$ 在68%置信水平下被约束为 <0.32。
• 结合CMB+SN+BAO数据后，$\zeta$ 在68%置信水平下被约束为 <0.030。
• 联合数据集给出 $\zeta$ <0.037（68%置信水平）。
• 在DDM模型下，DES-Y1与CMB+SN+BAO数据集之间的统计协调性从4%提升至8%。
• 在DDM模型中，DES-Y1 3x2pt与CMB+SN+BAO之间 $S_8$ 张力从2.3$\sigma$ 降低至1.9$\sigma$。
• 与径迹距离测量相比，DDM模型在哈勃张力方面未见改善。