[论文解读] Cosmological direct detection of dark energy

Sunny Vagnozzi, Luca Visinelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本文研究了暗能量是否可通过动量交换与重子物质直接相互作用，通过有效玻尔兹曼方程对这种相互作用进行建模。尽管截面最大可达毫靶（O(millibarn)），其对CMB和物质功率谱的影响仍可忽略不计——低阶多极矩处的效应不足百分之一，且被宇宙方差所掩盖——因此通过此类散射实现暗能量的直接宇宙学探测极不可能，即使在一级微扰理论下亦如此。

ABSTRACT

We consider the possibility that dark energy and baryons might scatter off each other. The type of interaction we consider leads to a pure momentum exchange, and does not affect the background evolution of the expansion history. We parametrize this interaction in an effective way at the level of Boltzmann equations. We compute the effect of dark energy-baryon scattering on cosmological observables, focusing on the Cosmic Microwave Background (CMB) temperature anisotropy power spectrum and the matter power spectrum. Surprisingly, we find that even huge dark energy-baryon cross-sections $\sigma_{xb} \sim {\cal O}({ m b})$, which are generically excluded by non-cosmological probes such as collider searches or precision gravity tests, only leave an insignificant imprint on the observables considered. In the case of the CMB temperature power spectrum, the only imprint consists in a sub-percent enhancement or depletion of power (depending whether or not the dark energy equation of state lies above or below $-1$) at very low multipoles, which is thus swamped by cosmic variance. These effects are explained in terms of differences in how gravitational potentials decay in the presence of a dark energy-baryon scattering, which ultimately lead to an increase or decrease in the late-time integrated Sachs-Wolfe power. Even smaller related effects are imprinted on the matter power spectrum. The imprints on the CMB are not expected to be degenerate with the effects due to altering the dark energy sound speed. We conclude that, while strongly appealing, the prospects for a direct detection of dark energy through cosmology do not seem feasible when considering realistic dark energy-baryon cross-sections. As a caveat, our results hold to linear order in perturbation theory.

研究动机与目标

• 探索通过宇宙等离子体中暗能量与重子物质的散射实现暗能量直接探测的可能性。
• 评估此类相互作用是否会在宇宙学可观测量（如CMB温度各向异性与物质功率谱）上留下可观测的痕迹。
• 在非宇宙学探测手段（如对撞机实验与精密引力实验）约束的背景下，评估宇宙学直接探测暗能量的可行性。
• 判断暗能量-重子散射效应是否与其它暗能量参数（如声速）存在退化关系。

提出的方法

• 将暗能量-重子相互作用建模为宇宙微扰中的动量交换过程，采用有效玻尔兹曼框架。
• 推导包含散射项的修正玻尔兹曼方程，同时保持背景膨胀历史不变。
• 利用线性微扰理论计算CMB温度功率谱与物质功率谱的相应修正。
• 分析由于散射导致引力势衰减变化，对晚期积分Sachs-Wolfe效应的影响。
• 评估可观测量对截面σ_xb变化的敏感度，其范围达O(millibarn)，并符合非宇宙学约束。
• 将散射引起的效应与暗能量声速变化引起的效应进行比较，以评估退化性。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量-重子散射是否能在CMB温度各向异性功率谱中产生可探测的信号？
• RQ2 即使截面大到O(millibarn)，暗能量-重子截面如何影响CMB与物质功率谱等宇宙学可观测量？
• RQ3 暗能量-重子散射的痕迹是否与暗能量声速变化存在退化关系？
• RQ4 晚期积分Sachs-Wolfe效应在传递此类散射可观测效应中起什么作用？
• RQ5 为何尽管截面很强，其在宇宙学可观测量上的痕迹仍如此微小？

主要发现

• 即使暗能量-重子截面高达O(millibarn)，其对CMB温度功率谱的修正仍小于百分之一，且仅限于极低阶多极矩。
• CMB痕迹表现为微弱的功率增强或减弱，具体取决于暗能量状态方程是否高于或低于-1，其根源在于晚期积分Sachs-Wolfe效应的变化。
• 这些CMB效应被宇宙方差所掩盖，因此在当前或可预见的未来数据中无法观测到。
• 对物质功率谱的相关影响更小，几乎无法被探测到。
• 散射引起的修正与暗能量声速变化不具退化性，表明其具有独特的物理信号特征。
• 结果表明，在现实截面条件下，即使在微扰理论的一级近似下，通过重子散射实现暗能量的直接宇宙学探测也并不可行。