[论文解读] $S_8$ Tension in the Context of Dark Matter-Baryon Scattering

Adam He, Mikhail M. Ivanov+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种暗物质-重子散射模型，其中10%的亚GeV暗物质经历与速度无关的弹性散射，抑制小尺度结构。利用BOSS全形状星系聚类数据和来自DES的$S_8$先验，该模型显示出约3σ的非零散射截面偏好，降低了$S_8$张力，并在$k \lesssim 1~h/\mathrm{Mpc}$时使线性功率谱抑制约20%，与小尺度结构约束一致。

ABSTRACT

We explore an interacting dark matter (IDM) model that allows for a fraction of dark matter (DM) to undergo velocity-independent scattering with baryons. In this scenario, structure on small scales is suppressed relative to the cold DM scenario. Using the effective field theory of large-scale structure, we perform the first systematic analysis of BOSS full-shape galaxy clustering data for the IDM scenario, and we find that this model alleviates the $S_8$ tension between large-scale structure and Planck data. Adding the $S_8$ prior from DES to our analysis further leads to a mild $\sim3σ$ preference for a non-vanishing DM-baryon scattering cross-section, assuming $\sim 10\%$ of DM is interacting and has a particle mass of 1 MeV. This result produces a modest $\sim 20$% suppression of the linear power at $k\lesssim 1~h$/Mpc, consistent with other small-scale structure observations. Similar scale-dependent power suppression was previously shown to have the potential to resolve $S_8$ tension between cosmological data sets. The validity of the specific IDM model explored here will be critically tested with upcoming galaxy surveys at the interaction level needed to alleviate the $S_8$ tension.

研究动机与目标

• 探究暗物质-重子散射是否能缓解早期宇宙与晚期宇宙测量之间的$S_8$张力。
• 首次在相互作用暗物质（IDM）框架下，利用BOSS全形状星系聚类数据约束暗物质-重子散射截面。
• 检验IDM引起的尺度依赖性线性物质功率谱抑制是否能调和普朗克CMB与DES弱引力透镜数据的$S_8$值。
• 评估IDM模型对先验选择的鲁棒性，并检验其与银河系卫星和莱曼-$\alpha$森林约束的一致性。

提出的方法

• 本研究采用大尺度结构的有效场论来建模暗物质-重子散射对物质功率谱的影响，引入尺度依赖的转移函数抑制。
• 通过Baryon Oscillation Spectroscopic Survey（BOSS）的全形状星系聚类数据进行系统的宇宙学分析，对功率谱引入非线性修正。
• 该模型假设10%的暗物质通过与速度无关的截面$\sigma_0$与重子发生弹性散射，暗物质质量范围为100 keV至100 MeV。
• 分析结合了BOSS数据、普朗克CMB和DES $S_8$先验，使用$\chi^2$最小化方法将IDM模型与$\Lambda$CDM模型进行比较。
• 通过在$[-30, -23]$范围内施加$\sigma_0$的对数均匀先验，测试先验的鲁棒性，确保结果不因先验选择而产生偏差。
• 计算并可视化宇宙学参数的边际后验分布，以评估约束结果和模型偏好。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有10%相互作用成分的暗物质-重子散射模型是否能减少普朗克CMB与DES弱引力透镜数据之间的$S_8$张力？
• RQ2 包含BOSS全形状星系聚类数据是否能为非零暗物质-重子散射截面提供统计显著的偏好？
• RQ3 IDM模型在小尺度上对线性物质功率谱的抑制程度如何？是否与现有的莱曼-$\alpha$森林和银河系卫星约束一致？
• RQ4 IDM模型对散射截面先验变化的偏好有多稳健？

主要发现

• 当结合BOSS与DES $S_8$数据时，$f_\chi = 10\%$且$m_\chi = 1~\mathrm{MeV}$的IDM模型显示出约3σ的非零暗物质-重子散射截面偏好。
• 该模型通过在$k \lesssim 1~h/\mathrm{Mpc}$处抑制约20%的线性物质功率谱，降低了$S_8$张力，与小尺度结构观测一致。
• 对于$ m_\chi = 1~\mathrm{MeV} $，$ f_\chi = 10\% $的情况，Planck + BOSS + DES组合的$\Delta\chi^2_{\mathrm{min}}$为$-6.7$，表明相比$\Lambda$CDM有显著改进。
• 即使在$\sigma_0$的对数均匀先验下，$\Delta\chi^2_{\mathrm{min}} = -5.6$，证实了结果的鲁棒性，并且对$\Lambda$CDM的偏好超过2σ。
• 该模型的抑制特征与联合引力透镜与CMB数据推断出的平台状形式一致，支持其缓解$S_8$张力的潜力。
• 结果与银河系卫星族群及莱曼-$\alpha$森林的约束一致，后者将功率抑制限制在$0.2 \lesssim k \lesssim 2~h/\mathrm{Mpc}$范围内不超过约25%。