[论文解读] Self-Interacting Neutrinos in Light of Large-Scale Structure Data

Adam He, Rui An+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 144被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种具有延迟自由流启动的自相互作用中微子模型，利用有效场论建模大尺度结构（LSS）的聚类。结合普朗克CMB、BOSS星系聚类、莱曼-α森林和DES弱引力透镜数据的联合分析显示，对一种特征能量尺度约为10 MeV的味无关自相互作用中微子存在超过5σ的偏好，该模型在不完全解决的情况下减轻了哈勃张力和S₈张力。

ABSTRACT

We explore a self-interacting neutrino cosmology in which neutrinos experience a delayed onset of free-streaming. We use the effective field theory of large-scale structure (LSS) to model matter distribution on mildly non-linear scales within the self-interacting neutrino cosmology for the first time. We perform the first combined likelihood analysis of BOSS full-shape galaxy clustering, weak lensing, and Lyman-$α$ forest measurements, together with the cosmic microwave background (CMB) data from Planck. We find that the full data set strongly favors presence of a flavor-universal neutrino self-interaction, with a characteristic energy scale of order $10$ MeV. The preference is at the $\sim 5σ$ level and is primarily driven by the Lyman-$α$ forest measurements and, to a lesser extent, the weak lensing data from DES. The self-interacting neutrino model eases both the Hubble tension and the $S_8$ tension between different cosmological data sets, but it does not resolve either. Finally, we note a preference for a non-zero sum of neutrino masses at the level of $\sim 0.3$ eV under this model, consistent with previous bounds. These results call for further investigation in several directions, and may have significant implications for neutrino physics and for future new-physics searches with galaxy surveys.

研究动机与目标

• 研究自相互作用中微子是否能够缓解宇宙学张力，如哈勃张力和S₈张力。
• 利用大尺度结构的有效场论（EFT-LSS）建模延迟中微子自由流对物质聚类的影响。
• 对多个宇宙学探针（包括普朗克CMB、BOSS全形状聚类、莱曼-α森林和DES弱引力透镜数据）进行联合似然分析。
• 检验一种味无关中微子自相互作用的可行性，其四费米子相互作用速率满足 $\Gamma_\nu \propto G_{\mathrm{eff}}^2 T_\nu^5$。
• 在自相互作用中微子宇宙学中，约束中微子质量之和与有效耦合 $G_{\mathrm{eff}}$。

提出的方法

• 采用大尺度结构的有效场论（EFT-LSS）建模自相互作用中微子模型中在弱非线性尺度上的物质功率谱和聚类统计。
• 构建联合似然分析，结合普朗克CMB数据与全形状星系聚类（BOSS）、弱引力透镜（DES）以及莱曼-α森林测量数据。
• 通过费米型耦合 $G_{\mathrm{eff}}$ 参数化中微子自相互作用，其相互作用速率 $\Gamma_\nu \propto G_{\mathrm{eff}}^2 T_\nu^5$，用于建模延迟自由流。
• 使用修改后的玻尔兹曼码计算线性物质功率谱，纳入由中微子自散射引起的尺度依赖性抑制。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样对模型进行拟合，对星系偏置和EFT参数等 nuisance 参数进行边缘化。
• 将强相互作用模式（$G_{\mathrm{eff}} \sim 0.03\ \mathrm{MeV}^{-2}$）与标准 $\Lambda$CDM 模型及中等相互作用模式进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有延迟自由流的自相互作用中微子模型是否比标准 $\Lambda$CDM 模型更好地拟合联合LSS与CMB数据？
• RQ2 在全形状星系聚类、弱引力透镜和莱曼-α森林数据约束下，味无关中微子自相互作用的统计显著性如何？
• RQ3 自相互作用中微子模型在多大程度上缓解了哈勃张力与S₈张力？
• RQ4 数据对有效耦合 $G_{\mathrm{eff}}$ 和中微子质量之和 $\sum m_\nu$ 的约束是什么？
• RQ5 莱曼-α森林与弱引力透镜数据各自在多大程度上推动了对自相互作用中微子的偏好？

主要发现

• 全数据集显示对味无关中微子自相互作用存在超过5σ的偏好，耦合参数 $\log_{10}(G_{\mathrm{eff}}\ \mathrm{MeV}^2) = -1.732 \pm 0.051$，对应 $G_{\mathrm{eff}} \sim 0.03\ \mathrm{MeV}^{-2}$。
• 莱曼-α森林数据是推动对自相互作用中微子偏好最主要的因素，其次是DES弱引力透镜数据。
• 自相互作用中微子模型减轻了哈勃张力与S₈张力，但未完全解决，其中 $H_0 = 67.844_{-0.941}^{+0.864}\ \mathrm{km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}}$ 与 $S_8 = 0.809 \pm 0.009$。
• 该模型在 $\sum m_\nu = 0.223_{-0.073}^{+0.071}\ \mathrm{eV}$ 处偏好非零中微子质量之和，与先前约束一致。
• 最佳拟合的 $N_{\mathrm{eff}} = 3.003_{-0.159}^{+0.136}$ 与标准模型的3.046值一致。
• 对 $G_{\mathrm{eff}}$ 的边缘后验分布显示在强相互作用模式下存在显著的高显著性峰值，而标准 $\Lambda$CDM 情况未获得显著支持。