[论文解读] Does the fraction of dark matter diminish with early dark energy?

Hao Wang, Yun-Song Piao|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 121被引用 4

一句话总结

本文研究了暗物质的某一比例是否可能因与早期暗能量（EDE）耦合而‘褪色’（即失去质量），这一设想受到丛状距离猜想的启发。利用普朗克CMB、BAO、Pantheon、SH0ES和DES-Y1数据的MCMC分析，结果表明，一小部分暗物质（f* ≲ 0.03）与EDE耦合可在不加剧H₀张力的情况下缓解S₈张力，尽管c ≈ 0仍与数据一致。

ABSTRACT

In pre-recombination early dark energy (EDE) resolutions of the Hubble tension, the rise of Hubble constant value $H_0$ is usually accompanied with the exacerbation of so-called $S_8$ tension. Inspired by the swampland conjecture, we investigate what if a fraction $f_*$ of dark matter is coupled to EDE, $m_{cdm}\sim \exp{(-c{|Δϕ_{ede}|\over M_{pl}})}$ with $c\sim {\cal O}(1)$. We perform the MCMC analysis for the relevant EDE models with PlanckCMB, BAO, Pantheon and SH0ES dataset, as well as DES-Y1 data, and find that such a fraction helps to alleviate the $S_8$ tension. However, though $c\gtrsim 0.1$ is allowed for a very small $f_*$, which suggests that a small fraction of dark matter has ever faded with EDE, $c\sim0$ is also consistent.

研究动机与目标

• 研究暗物质的某一比例是否可能因与早期暗能量（EDE）耦合而动态地损失质量（即‘褪色’），其动机来自丛状距离猜想。
• 评估此类耦合是否能缓解S₈张力，该张力在标准EDE模型中虽已缓解H₀张力但仍持续存在。
• 利用包括普朗克CMB、BAO、Pantheon、SH0ES和DES-Y1在内的宇宙学数据集，检验该模型的可行性。
• 确定该褪色机制是否与当前观测约束一致，特别是关于耦合强度c和参与耦合的暗物质比例f*。

提出的方法

• 提出一种与质量相关的暗物质对EDE的耦合：m_cdm ∝ exp(–c|Δφ_ede|/M_pl)，其中c ≈ O(1)，φ_ede为EDE标量场。
• 使用普朗克CMB、BAO、Pantheon、SH0ES和DES-Y1数据集进行马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析，以约束模型参数。
• 考虑两种EDE模型：轴子样EDE与AdS-EDE，两者均允许f*比例的暗物质与EDE耦合。
• 施加丛状距离猜想（SDC）以约束场运动范围，并确保有效场论的紫外完备性。
• 分析标量场φ_ede、EDE能量密度f_ede以及有效暗物质质量m_cdm(φ_ede)随时间的演化。
• 将模型对S₈和H₀的预测与本地测量值（SH0ES、KiDS+DES-Y1）进行比较，以评估张力缓解程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质与早期暗能量的部分耦合是否能在不加剧H₀张力的情况下缓解S₈张力？
• RQ2 在当前宇宙学数据约束下，小比例f*的暗物质因EDE而褪色时，允许的最大耦合强度c为何值？
• RQ3 通过EDE耦合实现的暗物质褪色机制是否与丛状距离猜想相容？
• RQ4 引入DES-Y1数据以及不同EDE模型（轴子样EDE与AdS-EDE）如何影响对f*与c的约束？
• RQ5 该模型是否偏好非零c，还是c ≈ 0仍属可行，尤其是在S₈与H₀测量结果的背景下？

主要发现

• 引入一小部分与EDE耦合的暗物质f*可缓解S₈张力，在AdS-EDE中最佳拟合f* ≈ 0.03，在轴子样EDE中f* ≈ 0.5。
• 在两种EDE模型中，若f*较小，则c ≳ 0.1在1σ范围内允许，表明一小部分暗物质可能通过EDE发生褪色。
• 尽管存在褪色潜力，c ≈ 0仍位于1σ置信区域内，尤其在轴子样EDE中最佳拟合c为负值。
• 基线+DES-Y1数据集不支持显著褪色，因为c ∼ 0更受青睐，尤其在轴子样EDE中，场运动范围较小。
• 即使包含DES-Y1数据，该模型仍保持标量不变的原初谱（n_s ≈ 1），与H₀ ≈ 73 km/s/Mpc一致。
• 在两种模型中S₈张力均被缓解：最佳拟合S₈ ≈ 0.82（轴子样EDE）与S₈ ≈ 0.8433（AdS-EDE），比标准EDE模型更接近本地测量值。