[论文解读] Interacting dark energy axions in light of the Hubble tension

Ennis Mawas, Lauren Street+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 34被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于两个或三个相互作用轴子样态粒子（ALPs）的动力学暗能量模型，作为解决哈勃常数张力的晚期时间方案。通过调节ALP参数，该模型实现了约74 km/s/Mpc的哈勃常数——与普朗克CMB数据的4–6σ张力相一致——同时缓解了较小的σ₈张力；然而，由于声学视界未改变，该模型与BAO和Pantheon超新星数据存在冲突。

ABSTRACT

A current problem within the ΛCDM framework is the tension between late and early time measurements of the Hubble parameter today, H0. We entertain the possibility that dark energy modeled as multiple interacting axion-like-particle species can alleviate the current Hubble tension. We then test these parameters against the milder tension between the CMB and large scale structure (LSS) observations of σ8 to ensure that these models do not exacerbate the tension. We find that there exist parameter spaces for models of two and three axion-like-particles which can potentially alleviate the Hubble tension as well as the σ8 tension.

研究动机与目标

• 解决早期（普朗克CMB）与晚期（SH0ES）测量的哈勃常数H₀之间4–6σ的差异。
• 研究多个相互作用轴子样态粒子（ALPs）是否可作为动力学暗能量机制，以缓解哈勃张力。
• 确保H₀张力的解决方案不会加剧CMB与大尺度结构数据之间σ₈测量的现有张力。
• 识别在双ALP与三ALP模型中能同时缓解两种张力的可行参数空间。
• 强调声学视界与BAO及Pantheon数据一致性所面临的挑战，为未来完整数据的分析提供动机。

提出的方法

• 通过N个标量场、衰变常数fᵢ、自耦合μᵢ、粒子间耦合常数μᵢ,ⱼ及混合参数nᵢ,ⱼ，推广D’Amico等人关于相互作用ALPs的模型，引入自相互作用势。
• 通过相互作用ALP场的动力学，使暗能量状态方程ω(z) = p(z)/ρ(z)随时间演化。
• 使用修正的弗里德曼方程演化哈勃参数H(z)，其中ALP能量密度与压强对总能量预算有贡献。
• 采用Barros等人形式化方法近似耦合的五次元模型中的σ₈值，并将其扩展至基于ALP的暗能量情景。
• 使用标准CMB/BAO定义，在z ≈ 1100处计算声学视界rₐ，假设早期宇宙物理未改变。
• 通过比较rₐh与CMB（99.08 ± 0.80 Mpc）和BAO（99.95 ± 1.20 Mpc）测量值，评估与晚期数据的张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一个包含两个或三个相互作用轴子样态粒子的模型，能够通过动态调节哈勃参数，解决4–6σ的H₀张力？
• RQ2 能够缓解H₀张力的参数空间是否也能缓解CMB与大尺度结构观测之间较轻微的σ₈张力？
• RQ3 在声学视界rₐ保持不变的前提下，这些ALP模型在多大程度上仍与BAO和Pantheon超新星数据一致？
• RQ4 未改变的声学视界对这一ALP框架中晚期解决方案的可行性有何影响？
• RQ5 该模型能否避免违反解决H₀张力所必需的七项假设，特别是与早期宇宙物理相关的假设？

主要发现

• 在双轴子样态粒子与三轴子样态粒子模型中，均存在参数空间，使得哈勃参数在z = 0时演化至H₀ ≈ 74 km/s/Mpc，与晚期SH0ES测量一致。
• 缓解H₀张力的相同参数集也降低了σ₈张力，使CMB与大尺度结构测量结果更趋一致。
• 模型保持了z ≈ 1100处未改变的声学视界rₐ，因早期宇宙物理未被修改，导致与BAO和Pantheon数据存在冲突，因rₐh产品不匹配。
• ALP模型计算得到的rₐh约为108.82 ± 0.21 Mpc（使用h ≈ 0.74），高于CMB（99.08 ± 0.80 Mpc）与BAO（99.95 ± 1.20 Mpc）的值，表明与这些数据集存在张力。
• 该模型在缓解H₀与σ₈张力方面的成功，取决于未来完整宇宙学数据的分析，因为当前BAO与Pantheon数据的约束已不支持该参数空间。
• 尽管与BAO和Pantheon数据存在张力，结果表明相互作用ALP模型仍是值得进一步探索的可行晚期时间解决方案，尤其考虑到近期出现的H₀红移依赖趋势的证据。