[论文解读] First constraints on non-minimally coupled Natural and Coleman-Weinberg inflation and massive neutrino self-interactions with Planck+BICEP/Keck

N. Bostan, Shouvik Roy Choudhury|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 181被引用 4

一句话总结

本研究利用普朗克和BICEP/Keck宇宙微波背景（CMB）数据，首次对包含自相互作用大质量中微子的非最小耦合自然型与Coleman-Weinberg暴胀模型施加了约束。研究发现，当非最小耦合值为特定值（如ξ = −10⁻²）时，若考虑中微子自相互作用，暴胀预测可落入1σ置信区域，从而挽救了在最小ΛCDM + r框架下原本被排除的模型。

ABSTRACT

In this work, for the first time in literature, we study the predictions of non-minimally coupled Natural and Coleman-Weinberg potentials in the $n_s-r$ plane, and an extended $Λ$CDM model where we include non-standard self-interactions among massive neutrinos, mediated by a heavy scalar or vector boson. Constraints were derived using the Planck 2018 + BICEP/Keck 2018 datasets along with other data. For the inflationary potentials, we consider two different formulations in gravity that are non-minimally coupled to the scalar field of the inflaton: extit{Metric and Palatini.} We only consider the self-interaction to be present among $τ$-neutrinos and only at moderate strengths. This is because strong interactions among $τ$-neutrinos, or any strength self-interaction among electron- and muon-neutrinos, as well as any strength flavor-universal interactions, are strongly disfavoured from particle physics experiments. In terms of cosmological data, we use the latest public CMB datasets from Planck 2018 and BICEP/Keck 2018 collaborations, along with other data from CMB lensing, BAO, RSD, and SNe Ia luminosity distance measurements. We find that there are some situations where predictions from the inflationary models are ruled out at more than 2$σ$ by the minimal $Λ$CDM$+r$ model, but they are allowed in the self-interacting neutrino scenario.

研究动机与目标

• 评估在非标准中微子自相互作用存在下，非最小耦合自然型与Coleman-Weinberg暴胀模型的可行性。
• 比较引力的度规与Palatini形式在这些暴胀势能背景下的nₛ–r预测差异。
• 评估中微子自相互作用是否能缓解暴胀模型预测与宇宙学数据之间的张力。
• 确定τ中微子自相互作用（中等强度）对这些模型nₛ–r参数空间的影响。
• 检验在最小ΛCDM + r框架下被排除的模型，是否可通过引入自相互作用中微子而恢复可行性。

提出的方法

• 本研究采用非最小耦合标量场暴胀模型，针对自然型与Coleman-Weinberg暴胀势能，同时使用度规与Palatini形式的引力理论。
• 通过引入来自重标量或矢量玻色子的4费米子有效相互作用，仅对τ中微子建模中等强度的自相互作用。
• 在扩展的ΛCDM框架下，利用普朗克2018 CMB、BICEP/Keck B模式、CMB强引力透镜、BAO、RSD和Ia型超新星数据集推导宇宙学约束。
• 通过数值分析计算不同非最小耦合ξ值与自相互作用强度f下的暴胀预测（nₛ, r）。
• 将结果与最小ΛCDM + r模型及1ν相互作用、MIν模型进行比较，评估统计相容性。
• 本研究区分了Coleman-Weinberg势能中暴胀场值高于与低于真空期望值（ϕ > v 与 ϕ < v）的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 当包含中微子自相互作用时，非最小耦合自然型与Coleman-Weinberg暴胀模型是否仍具可行性？
• RQ2 度规与Palatini形式的引力如何影响这些暴胀模型的nₛ–r预测？
• RQ3 在存在中微子自相互作用的情况下，哪些非最小耦合（ξ）值可使模型预测保持在1σ或2σ置信区域内？
• RQ4 引入τ中微子自相互作用是否会促使nₛ–r预测更接近普朗克+BICEP/Keck数据？
• RQ5 在最小ΛCDM + r框架下被排除的模型，是否可通过引入自相互作用中微子而被“拯救”？

主要发现

• 对于自然型暴胀势能，当ξ = −10⁻²时，无论在度规还是Palatini形式下，1ν相互作用、MIν模型中预测值均落入1σ置信区域，对应f ≈ 3.5（度规）与f ≈ 3.05（Palatini）。
• 当ξ = −10⁻²时，度规形式下大f值仍保持在1σ区域内，但在Palatini形式下，当f ≈ 3.2时，预测值趋近nₛ ≈ 0.987并移出置信区域。
• 在度规形式下，Coleman-Weinberg势能中ξ = 10⁻²与ξ = 10位于2σ区域内，而ξ = 0与ξ = −10⁻⁴在1ν相互作用、MIν模型中被排除超过2σ。
• 在Palatini形式下，Coleman-Weinberg势能中ξ = 10⁻¹达到线性势能极限并保持在1σ区域内，而ξ = 10⁻³位于2σ内，但ξ = 10、10⁻²、−10⁻⁴与0均超出2σ区域。
• 对于Coleman-Weinberg势能ϕ < v情形，ξ = 10⁻³、10⁻⁴、−10⁻³、−10⁴与ξ = 0在1ν相互作用、MIν模型中均位于1σ置信区域内。
• 研究发现，当ξ ≪ 1时，度规与Palatini形式的预测结果相近；但当ξ = −10⁻²时，两种形式在与数据的相容性上表现出显著差异。