[论文解读] Implications of the $S_8$ tension for decaying dark matter with warm decay products

Guillermo Franco Abellán, Riccardo Murgia+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 13

一句话总结

本文提出了一种两体衰变暗物质（ΛDDM）模型，其中冷暗物质衰变为一个具有质量的温暗物质粒子和一个无质量的暗辐射组分，通过自由流实现结构形成的抑制。当衰变寿命约为55 Gyr且能量转移分数ε ≈ 0.7%时，该模型通过降低σ8缓解了S8张力，同时与CMB、BAO、SNIa及增长因子数据一致，为标准ΛCDM提供了一个可行的替代方案。

ABSTRACT

Recent weak lensing surveys have revealed that the direct measurement of the parameter combination $S_8\equiv\sigma_8(\Omega_m/0.3)^{0.5}$ -- where $\sigma_8$ is a measure of the amplitude of matter fluctuations on 8 $h^{-1}$Mpc scales -- is $\sim3\sigma$ discrepant with the value reconstructed from cosmic microwave background (CMB) data assuming the $\Lambda$CDM model. In this article, we show that it is possible to resolve the tension if dark matter (DM) decays with a lifetime of $\Gamma^{-1} \simeq 55 \ ext{Gyrs}$ into one massless and one massive product, and transfers a fraction $\varepsilon\simeq 0.7 \ \%$ of its rest mass energy to the massless component. The velocity-kick received by the massive daughter leads to a suppression of gravitational clustering below its free-streaming length, thereby reducing the $\sigma_8$ value as compared to that inferred from the standard $\Lambda$CDM model, in a similar fashion to massive neutrino and standard warm DM. Contrarily to the latter scenarios, the time-dependence of the power suppression and the free-streaming scale allows the 2-body decaying DM scenario to accommodate CMB, baryon acoustic oscillation, growth factor and un-calibrated supernova Ia data. We briefly discuss implications for DM model building, galactic small-scale structure problems and the recent Xenon-1T excess. Future experiments measuring the growth factor to high accuracy at $0\lesssim z\lesssim1$ can further test this scenario.

研究动机与目标

• 在ΛCDM框架内解决S8张力——即CMB推断与弱引力透镜测量的σ8(Ωm/0.3)⁰.⁵之间3σ的差异。
• 探索具有温衰变产物的两体衰变暗物质是否能在不违背现有宇宙学数据的前提下抑制小尺度功率。
• 检验该模型能否同时容纳CMB强透镜、BAO、未校准的SNIa以及增长因子测量数据。
• 评估该模型在解决小尺度结构问题及Xenon-1T过剩现象方面的可行性。

提出的方法

• 提出一种两体衰变模型（ΛDDM），其中暗物质衰变为一个具有质量的温暗物质（WDM）粒子和一个无质量的暗辐射（DR）组分。
• 采用一种新颖的流体近似处理WDM组分，在亚哈勃尺度上将其相空间分布简化为三个多重极，从而实现高效的数值计算。
• 在CLASS数值代码中实现DCDM、WDM和DR的完整扰动方程，包括线性宇宙学扰动。
• 使用MontePython-v3进行马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析，拟合Planck高ℓ和低ℓ CMB数据、BAO、SNIa（Pantheon）以及S8测量数据。
• 基于KIDS1000+BOSS+2dfLenS数据，将S8似然建模为分裂正态分布，其中S8 = 0.766⁺⁰.⁰²₀₋₀.⁰¹⁴。
• 通过QDMAP张力度量和贝叶斯证据，将该模型与标准ΛCDM及大质量中微子（νΛCDM）情景进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有温衰变产物的两体衰变暗物质模型能否在与CMB、BAO和SNIa数据一致的前提下缓解S8张力？
• RQ2 该衰变模型中物质功率谱的时间依赖性抑制机制与标准大质量中微子或WDM情景有何不同？
• RQ3 为在不违反其他宇宙学约束的前提下使S8与CMB数据一致，所需的衰变参数（寿命与能量转移分数）为何值？
• RQ4 该模型能否同时解释Xenon-1T过剩现象并缓解ΛCDM中的小尺度结构问题？
• RQ5 结果对衰变参数先验选择（对数先验与线性先验）的敏感性如何？

主要发现

• 该模型通过约55 Gyr的暗物质衰变寿命和约0.7%的能量转移分数至无质量组分，成功缓解了S8张力。
• 温衰变产物在自由流标度以下诱导了物质功率谱的时间依赖性抑制，其降低σ8的方式与大质量中微子或标准WDM类似。
• 该模型能同时拟合Planck CMB、BAO、未校准的SNIa及S8数据，而此前的两体衰变模型在联合BAO与CMB强透镜约束下均告失败。
• 结果对先验选择具有鲁棒性：ε与Γ的1维及2维后验分布在将ε的先验下限从10⁻⁴调整至10⁻⁶时基本保持不变。
• 如先前研究通过联合BAO、SNIa与Planck数据所确认，该模型无法缓解哈勃张力。
• 当包含S8数据时，贝叶斯证据支持ΛDDM模型优于ΛCDM，表明其对完整数据集的拟合性能更优。