[论文解读] Growing neutrino cosmology

C. Wetterich, V. Pettorino|ArXiv.org|May 5, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 19被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种增长中微子宇宙学模型，其中中微子质量由于与标量场（即宇宙子）耦合而随时间动态增加，从而触发宇宙加速膨胀，并在超星系团尺度上形成非线性中微子团块。该机制解释了暗能量的‘为何现在’问题，并预测了由一种强于引力的新吸引力引起的可观测大尺度结构。

ABSTRACT

In growing neutrino models, the neutrino mass increases in time and stops the dynamical evolution of a dark energy scalar field, thus explaining the 'why now' problem. A new attractive force, mediated by the 'cosmon' scalar field, makes non relativistic neutrino form lumps on the scales of superclusters and beyond. Nonlinear neutrino lumps are predicted to form at redshift z ~ 1 and, if observed, could be an indication for a new attractive force stronger than gravity.

研究动机与目标

• 通过将暗能量的出现与中微子的非相对论性转变联系起来，解决暗能量的‘为何现在’问题。
• 提出一种动力学机制，即中微子质量通过标量场（宇宙子）增长，从而停止宇宙子的演化并触发加速膨胀。
• 探讨由宇宙子介导的新吸引力的宇宙学后果，导致大尺度上中微子的非线性聚集。
• 将该机制与统一理论中的中微子质量生成联系起来，特别是通过 seesaw 机制和级联（诱导三重态）机制。
• 评估观测信号，包括大尺度结构形成以及时间变化的中微子质量的潜在可探测性。

提出的方法

• 引入一个与中微子耦合的标量场（即宇宙子），导致其中微子质量随时间动态增长。
• 使用有效场论框架来模拟宇宙子的时间演化及其对暗能量密度的影响。
• 应用线性微扰理论，计算作为波数 $ k $ 函数的 CDM、中微子和宇宙子场的非线性红移 $ z_{nl} $。
• 推导出关系式 $ \rho_h(t_0)^{1/4} = 1.27 \left( \frac{\gamma m_\nu(t_0)}{eV} \right)^{1/4} \times 10^{-3} \text{eV} $，将暗能量密度与当前中微子质量联系起来。
• 通过 seesaw 机制和级联（诱导三重态）机制建模中微子质量生成，其中 $ m_\nu = H d^2 / M_{B-L} $，且由于时间依赖的 $ M_t $，$ H $ 也随之演化。
• 评估 ISW 效应和大尺度结构形成，考虑引力势在非线性区域的抑制效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过动力学中微子质量来解释宇宙加速的时机？
• RQ2 与中微子强耦合并驱动其质量增长的标量场（宇宙子）会带来哪些宇宙学信号？
• RQ3 在超星系团尺度上中微子的非线性聚集能否作为强于引力的新吸引力的证据？
• RQ4 中微子质量的时间演化如何影响结构形成和 ISW 效应？
• RQ5 未来对中微子质量或双贝塔衰变的观测能否探测到增长中的中微子质量？

主要发现

• 中微子团块在红移 $ z \approx 1 $ 时形成，其最大聚集出现在超星系团尺度，为一种新吸引力的存在提供了潜在观测信号。
• 当前暗能量密度与当前中微子质量的关系由 $ \rho_h(t_0)^{1/4} = 1.27 \left( \frac{\gamma m_\nu(t_0)}{eV} \right)^{1/4} \times 10^{-3} \text{eV} $ 给出，只有当 $ m_\nu \sim \text{eV} $ 时才与观测值一致。
• 在增长中微子模型中，由于早期中微子涨落引起的引力势增强，CDM 的非线性结构形成更早，尤其在 $ \sim 14.5 $ Mpc 到 $ 4.4 \times 10^3 $ Mpc 的尺度上。
• 在非线性区域，ISW 效应被强烈抑制，尽管线性预测值较大，但与 CMB 观测结果的冲突风险降低。
• 在 $ \Lambda $CDM 模型中，大尺度非线性结构（如超星系团尺度的团块）极不可能形成，因此其探测将成为增长中微子宇宙学的强有力信号。
• 如果直接或双贝塔衰变实验中测得中微子质量大于 0.5 eV，将强烈支持增长中微子质量机制。