[论文解读] Linear cosmological constraints on 2-body decaying dark matter scenarios and robustness of the resolution to the $S_8$ tension

Guillermo Franco Abellán, Riccardo Murgia+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 12

一句话总结

本文研究了一种两体衰变暗物质模型，其中暗物质衰变为一个无质量（暗辐射）和一个有质量（温暗物质）的粒子，其寿命依赖于能量分数 $\varepsilon$；该模型通过在不降低与其他宇宙学数据一致性的前提下，改善对CMB和物质功率谱的拟合，解决了 $S_8$ 矛盾，并可能解释Xenon1T实验中观测到的电子反冲过剩现象。

ABSTRACT

The '$S_8$ tension' is a longstanding discrepancy between the cosmological and local determination of the amplitude of matter fluctuations, parameterized as $S_8\equiv\sigma_8(\Omega_m/0.3)^{0.5}$, where $\sigma_8$ is the root mean square of matter fluctuations on a 8 $h^{-1}$Mpc scale, and $\Omega_m$ is the total matter abundance. It was recently shown that dark matter (DM) decaying into a massless (dark radiation) and a massive (warm DM) species, with a lifetime $\Gamma^{-1} \simeq 55~ (\varepsilon/0.007)^{1.4}$ Gyrs -- where $\varepsilon$ represent the mass-energy fraction transferred to the massless component -- can resolve the tension. Thanks to a new, fast and accurate approximation scheme for the warm species, we perform a comprehensive study of this 2-body decaying DM scenario, discussing in details its dynamics and its impact on the CMB and linear matter power spectra. We then confront the robustness of the resolution to the '$S_8$ tension' against a number of changes in the analysis: different $S_8$ priors, marginalization over the lensing information in Planck data, trading Planck high$-\ell$ polarization data for those from the SPTpol collaboration, and the inclusion of the recent results from the Xenon1T collaboration. We conclude that the preference for decaying DM, while entirely driven by the local $S_8$ measurements, does not sensibly degrade the fit to any of the cosmological data-sets considered, and that the model could explain the anomalous electron recoil excess reported by the Xenon1T collaboration.

研究动机与目标

• 研究是否存在一种两体衰变暗物质情景，其中包含一个有质量的温暗物质组分和一个无质量的辐射组分，能够解决 $S_8$ 矛盾。
• 利用一种新型快速且精确的近似方法，分析温暗物质组分的动力学演化及其对宇宙学的影响。
• 测试 $S_8$ 矛盾解决方法对Planck数据中 $S_8$ 先验、强引力透镜幅度边际化方式以及替代高-$\ell$ 极化数据的稳健性。
• 评估该模型与近期Xenon1T实验中电子反冲过剩观测结果的兼容性。

提出的方法

• 开发了一种新型快速且精确的近似方法，用于建模两体衰变情景下温暗物质组分的转移函数与演化过程。
• 模拟了该衰变暗物质模型的线性物质功率谱和CMB各向异性功率谱，综合考虑了有质量和无质量衰变产物的影响。
• 利用Planck 2018 CMB数据约束该模型，通过改变 $S_8$ 先验并边际化处理强引力透镜幅度，以检验其稳健性。
• 用SPTpol测量数据替代Planck的高-$\ell$ 极化数据，以检验模型对高阶极化不确定性的敏感性。
• 整合了最新的Xenon1T实验关于电子反冲过剩结果，以评估该模型与直接探测约束的一致性。
• 采用贝叶斯框架，比较该模型在多个宇宙学数据集及敏感性测试中的拟合优度。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有温暗物质和无质量辐射组分的两体衰变暗物质模型能否解决 $S_8$ 矛盾？
• RQ2 当Planck数据中 $S_8$ 先验或强引力透镜幅度边际化方式发生变化时，$S_8$ 矛盾的解决是否依然稳健？
• RQ3 当SPTpol的高-$\ell$ 极化数据替代Planck数据时，该模型是否仍保持一致？
• RQ4 该模型能否同时解释Xenon1T实验中观测到的异常电子反冲过剩现象？
• RQ5 在此情景下，温暗物质组分如何影响线性物质功率谱和CMB各向异性？

主要发现

• 具有寿命 $\Gamma^{-1} \simeq 55~ (\varepsilon/0.007)^{1.4}$ Gyr 的两体衰变暗物质模型，通过提升与宇宙学数据的一致性，成功解决了 $S_8$ 矛盾。
• 即使改变 $S_8$ 先验或对强引力透镜信息进行边际化处理，该模型在CMB和线性物质功率谱上仍保持良好拟合。
• 用SPTpol数据替代Planck的高-$\ell$ 极化数据并未显著降低模型的拟合优度，表明其对高阶极化不确定性的稳健性。
• 该模型与Xenon1T合作组近期观测到的异常电子反冲过剩结果保持一致，提示其可能源于相同的衰变过程。
• 新型近似方法能准确建模温暗物质组分的动力学行为，从而实现宇宙学功率谱的高效且精确计算。
• 对衰变暗物质的偏好主要源于本地 $S_8$ 测量结果，但该模型并未损害对其他任何所考虑宇宙学数据集的拟合质量。