[论文解读] Dark matter nugget and new early dark energy from interacting neutrino: A promising solution to Hubble anomaly

Antareep Gogoi, Prolay Chanda+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

该论文提出一个统一模型，其中相互作用的惰性中微子与动力学标量场在物质-辐射相等之前形成早期暗能量（EDE），从而解决哈勃张力问题。当中微子变为非相对论性时，它们通过费米压与标量场吸引力平衡，坍缩成稳定、冷的暗物质类团块，自然地在再结合之前结束EDE行为，避免晚期观测约束。

ABSTRACT

We present a novel scenario, in which light (mass $\sim$ few m{eV}) sterile neutrinos interact with a dynamical scalar field and for some duration prior to matter-radiation equality (MRE), the neutrino-scalar fluid behaves like early dark energy (EDE) as the field adiabatically stays at minimum of effective potential. In this scenario, when (sterile) neutrino becomes non-relativistic before MRE, we show that, neutrino-scalar fluid develops instability in perturbations followed by formation of neutrino-nuggets which redshifts like cold dark matter. The sterile fermions get trapped in nuggets of degenerate matter that are stable over cosmological timescales. As the scalar field adiabaticaly relaxes into the minimum of an effective potential of neutrino-scalar interaction, the early dark energy behaviour of the neutrino-scalar fluid increases the local Hubble expansion rate and relaxes Hubble anomaly. As neutrino mass scale is comparable to MRE temperature, the duration and scale of this early DE happens naturally prior to recombination. As it goes through an intermediate phase of nugget formation, we find that our model does not worsen $S_8$ tension. As soon as the nugget forms, the neutrinos decouple from the scalar field and the combined fluids no longer behave like EDE, thus escaping the constraints from late time cosmology. The stability of the dark matter nugget is achieved when the Fermi pressure balances the attractive scalar force and we numerically find the mass and radius of nuggets by solving the static configuration. We also show that the nugget lifetime can be easily greater than the age of the Universe.

研究动机与目标

• 通过在物质-辐射相等之前引入一个瞬态早期暗能量（EDE）阶段来解决哈勃张力问题。
• 解释惰性中微子与标量场相互作用后如何形成稳定、冷的暗物质团块。
• 确保EDE阶段在再结合之前结束，以避开晚期宇宙学观测的约束。
• 证明该模型不会加剧$S_8$张力。
• 建立暗物质团块在宇宙时标上的长期稳定性。

提出的方法

• 将中微子-标量流体建模为动力系统，其中标量场绝热演化至有效势的最小值。
• 利用有效势描述从早期暗能量行为向冷暗物质类团块形成的转变。
• 应用静态构型方程数值求解中微子团块的质量和半径。
• 通过费米压与标量吸引力平衡实现团块的力学稳定性。
• 追踪中微子-标量流体扰动的演化，识别导致团块形成的不稳定性出现的时机。
• 通过调节中微子质量量级与MRE温度相当，确保EDE阶段在再结合之前结束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在物质-辐射相等之前，从一个中微子-标量相互作用模型中自然地产生瞬态早期暗能量阶段？
• RQ2 当惰性中微子变为非相对论性时，它们如何形成稳定、冷的暗物质团块？
• RQ3 该模型中形成的暗物质团块的质量和半径由什么决定？
• RQ4 该模型是否成功解决了哈勃张力问题，而未加剧$S_8$张力？
• RQ5 能否在再结合之前终止EDE阶段，以避免晚期宇宙学的约束？

主要发现

• 由于标量场绝热演化至其有效势的最小值，中微子-标量流体表现出早期暗能量行为。
• 当中微子-标量流体在变为非相对论性后变得不稳定时，形成中微子团块，导致类似冷暗物质的聚集。
• 团块的质量和半径通过求解静态平衡方程确定，稳定性由费米压与标量吸引力平衡保证。
• 由于中微子质量量级与MRE温度相当，EDE阶段自然在再结合之前结束，避免了晚期宇宙学约束。
• 该模型未加剧$S_8$张力，因为团块形成使流体过早与EDE行为解耦。
• 数值结果证实，团块的寿命超过宇宙年龄，确保了长期宇宙学稳定性。