[论文解读] Self-interacting neutrinos, the Hubble parameter tension, and the Cosmic Microwave Background

Thejs Brinckmann, Jae Hyeok Chang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 158被引用 97

一句话总结

本文利用普朗克2018年CMB和BAO数据，研究自相互作用中微子是否能缓解哈勃参数张力。研究考察了多种情形——完全自相互作用、两个自由流体中微子、可变相互作用比例以及有效中微子种类变化——发现没有确凿证据表明存在新的中微子相互作用；相反，所有模型在缓解哈勃张力方面均不如自由流体粒子的可变有效中微子种类数（Neff）有效。

ABSTRACT

We perform a comprehensive study of cosmological constraints on non-standard neutrino self-interactions using cosmic microwave background (CMB) and baryon acoustic oscillation data. We consider different scenarios for neutrino self-interactions distinguished by the fraction of neutrino states allowed to participate in self-interactions and how the relativistic energy density, N$_{ extrm{eff}}$, is allowed to vary. Specifically, we study cases in which: all neutrino states self-interact and N$_{ extrm{eff}}$ varies; two species free-stream, which we show alleviates tension with laboratory constraints, while the energy in the additional interacting states varies; and a variable fraction of neutrinos self-interact with either the total N$_{ extrm{eff}}$ fixed to the Standard Model value or allowed to vary. In no case do we find compelling evidence for new neutrino interactions or non-standard values of N$_{ extrm{eff}}$. In several cases we find additional modes with neutrino decoupling occurring at lower redshifts $z_{ extrm{dec}} \sim 10^{3-4}$. We do a careful analysis to examine whether new neutrino self-interactions solve or alleviate the so-called $H_0$ tension and find that, when all Planck 2018 CMB temperature and polarization data is included, none of these examples ease the tension more than allowing a variable N$_{ extrm{eff}}$ comprised of free-streaming particles. Although we focus on neutrino interactions, these constraints are applicable to any light relic particle.

研究动机与目标

• 评估自相互作用中微子是否能解决哈勃参数张力问题。
• 利用CMB和BAO数据约束非标准中微子自相互作用。
• 探索自相互作用中微子态数量和有效相对论自由度（Neff）变化的情形。
• 评估晚期退耦中微子相互作用对CMB各向异性的影响。
• 确定此类模型是否加剧或缓解S8张力。

提出的方法

• 以普朗克2018年温度和极化CMB数据为主要观测输入。
• 应用宇宙学微扰理论，建立中微子自相互作用及其对CMB功率谱影响的模型。
• 考虑四种不同情形：可变Neff的完全自相互作用、可变相互作用态的两个自由流体中微子、固定Neff下可变自相互作用比例，以及Neff和比例同时可变的组合情形。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法约束模型参数。
• 将模型预测与BOSS和DES的BAO数据进行比较，以增强约束力。
• 分析退耦红移（zdec ≈ 10^3–10^4）下额外中微子相互作用模式的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准模型相比，自相互作用中微子是否能降低哈勃参数张力？
• RQ2 具有两个自由流体中微子的情形是否能缓解对新相互作用的实验室约束？
• RQ3 当Neff固定在标准模型值（3.046）但自相互作用中微子比例可变时，会得出何种约束？
• RQ4 同时具有可变Neff和可变自相互作用比例的模型，与自由流体Neff相比，在缓解哈勃张力方面表现如何？
• RQ5 这些自相互作用模型是否在晚期宇宙观测中加剧了S8张力？

主要发现

• 在所研究的四种情形中，均未发现存在新中微子自相互作用的有力证据。
• 在若干情形中，推断出额外的中微子相互作用模式，其退耦红移为zdec ≈ 10^3–10^4。
• 当包含全部普朗克2018年CMB数据时，所有自相互作用模型在缓解哈勃张力方面均不如可变Neff的自由流体粒子有效。
• 具有两个自由流体中微子态的情形可减轻与新相互作用实验室约束之间的张力。
• 具有可变Neff和自相互作用比例的模型在缓解哈勃张力方面，并未优于标准自由流体Neff。
• 对轻度遗迹粒子的约束具有普适性，因为其效应纯粹为引力作用，仅取决于能量密度和退耦红移。