[论文解读] Could the Hubble Tension be Pointing Towards the Neutrino Mass Mechanism?

Miguel Escudero|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 11被引用 9

一句话总结

本文研究了宇宙学常数（Hubble）张力——即本地测量与CMB基H₀测量之间的差异——是否可通过一种马约拉纳玻色子（Majoron）来解决，该玻色子是类型-I seesaw机制中自发轻子数对称性破缺产生的伪戈尔德斯通玻色子。研究发现，普朗克CMB数据将马约拉纳-中微子耦合强度约束在λ ~ 10⁻¹³的水平，而包含马约拉纳玻色子与额外暗辐射的宇宙学模型可将Hubble张力从4.4σ降低至2.5σ，其偏好参数区域与电弱尺度的轻子数破缺相容。

ABSTRACT

Local measurements of the Hubble constant currently disagree with the high-precision value that is inferred from the CMB under the assumption of a $Λ$CDM cosmology. The significance of this tension clearly motivates studying extensions of the standard cosmological model capable of addressing this outstanding issue. Broadly speaking, models that have been successful in reducing the the tension between the CMB and local measurements (without introducing additional tension in other datasets) require an additional component of the energy density in the Universe at a time close to recombination. In this contribution, I will show that the Majoron -- a pseudo-Goldstone boson arising from the spontaneous breaking of a global lepton number symmetry and often associated with the neutrino mass mechanism -- can help to reduce the Hubble tension. Importantly, I will also show that current CMB observations can constrain neutrino-Majoron couplings as small as $10^{-13}$, which within the type-I seesaw mechanism correspond to scales of lepton number breaking as high as $\sim 1\, ext{TeV}$.

研究动机与目标

• 探究Hubble张力——即本地测量与CMB基H₀测量之间的差异——是否可通过ΛCDM以外的物理机制解决。
• 考察在类型-I seesaw机制中，由自发轻子数对称性破缺产生的伪戈尔德斯通玻色子（即马约拉纳玻色子）的宇宙学影响。
• 检验马约拉纳-中微子相互作用与额外暗辐射是否能同时缓解Hubble张力并保持与普朗克CMB观测的一致性。
• 利用当前CMB数据，特别是普朗克深度观测数据，约束马约拉纳-中微子耦合强度与马约拉纳玻色子质量。

提出的方法

• 本研究采用一种包含马约拉纳场φ的宇宙学模型，该场源于U(1)ₗ全局对称性自发破缺，通过手征相互作用拉格朗日量与中微子耦合：ℒ_int = i(λ/2)φν̄γ₅ν。
• 马约拉纳玻色子以强度λ ≈ 2mν/vL耦合至中微子，其耦合强度受中微子质量与vL（轻子数破缺尺度）抑制。
• 该模型引入一个额外的暗辐射成分，以参数ΔNₑff表示，用以增强再组合前的宇宙膨胀速率。
• 采用全MCMC贝叶斯分析，结合普朗克2018 CMB数据与BAO数据，对马约拉纳玻色子+ΔNₑff模型的参数空间进行约束。
• 分析评估了马约拉纳-中微子相互作用如何改变有效相对论性自由度数，并影响CMB功率谱，特别是引力透镜与温度涨落特征。
• 本研究将马约拉纳玻色子+ΔNₑff模型对普朗克数据的拟合效果与标准ΛCDM+ΔNₑff模型进行比较，评估Hubble张力缓解的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类型-I seesaw机制中产生的马约拉纳玻色子是否能在不损害对普朗克CMB数据拟合的前提下缓解Hubble张力？
• RQ2 当前CMB观测可探测到的最小马约拉纳-中微子耦合强度λ为多少？
• RQ3 引入马约拉纳-中微子相互作用后，有效相对论性自由度数ΔNₑff与再组合附近宇宙膨胀历史如何变化？
• RQ4 是否存在一个理论上自然的参数区域，使得马约拉纳模型既能缓解Hubble张力，又能与宇宙学观测保持一致？
• RQ5 原初马约拉纳玻色子种群是否可导致更强的膨胀速率增强，从而完全解决Hubble张力？

主要发现

• 普朗克CMB观测将马约拉纳-中微子耦合强度约束在λ ~ 10⁻¹³水平，对应于类型-I seesaw机制中轻子数破缺尺度高达~1 TeV。
• 马约拉纳玻色子+ΔNₑff宇宙学模型可将Hubble张力从4.4σ降低至2.5σ，表明该差异得到显著但未完全缓解。
• 缓解Hubble张力的偏好参数区域对应于ΔNₑff = 0.5 ± 0.2（90%置信水平）。
• 该偏好区域具有马约拉纳玻色子质量mϕ ~ 0.1–1 eV，耦合强度λ ~ 10⁻¹⁴–10⁻¹³（eV/mϕ），与电弱尺度轻子数破缺一致。
• 与ΛCDM+ΔNₑff模型不同，引入马约拉纳-中微子相互作用可避免对普朗克数据拟合的退化，从而允许更大的ΔNₑff值而不引入张力。
• 本研究识别出一个理论上自然的区域，其中马约拉纳玻色子质量与由维度-5算符导出的量子引力预期相符，暗示该模型具有自然的物理起源。