[论文解读] Symmetry of Cosmological Observables, and a High Hubble Constant as an Indicator of a Mirror World Dark Sector

Francis-Yan Cyr-Racine, Fei Ge+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文提出了一种宇宙学观测量中的对称性，该对称性使得CMB各向异性和大尺度结构等无量纲量在引力自由下落速率与光子散射速率均匀缩放下几乎保持不变。通过利用镜像世界暗物质区域能实现这一对称性，该模型可在保留CMB和大尺度结构数据的同时容纳较高的哈勃常数（$H_0 \approx 73$ km/s/Mpc），尽管与原初氦和氘丰度的暴涨核合成约束仍存在张力。

ABSTRACT

We find that a uniform scaling of the gravitational free-fall rates and photon-electron scattering rate leaves most dimensionless cosmological observables nearly invariant. This result opens up a new approach to reconciling cosmic microwave background and large-scale structure observations with high values of the Hubble constant $H_0$: Find a cosmological model in which the scaling transformation can be realized without violating any measurements of quantities not protected by the symmetry. A "mirror world" dark sector allows for effective scaling of the gravitational free-fall rates while respecting the measured mean photon density today. Further model building might bring consistency with the two constraints not yet satisfied: the inferred primordial abundances of deuterium and helium.

研究动机与目标

• 解决高$H_0$测量值与CMB数据所预测的$\Lambda$CDM模型之间的哈勃张力问题。
• 识别一种宇宙学观测量中的对称性，该对称性在物理时标缩放下保持CMB各向异性和大尺度结构等无量纲量不变。
• 构建一个可行的宇宙学模型，实现该对称性而不违反对光子密度和原初丰度的现有约束。
• 探索镜像世界暗物质区域是否能够实现引力和散射速率的有效缩放，同时保持关键可观测量不变。
• 评估此类模型与原初核合成对氦-4和氘丰度约束的兼容性。

提出的方法

• 引入缩放变换$H \to \lambda H$，$k \to \lambda k$，$\dot{\kappa} \to \lambda \dot{\kappa}$，该变换在红移范围内均匀缩放所有长度和时标。
• 证明当$\sqrt{G\rho_i} \to \lambda \sqrt{G\rho_i}$时，光子、重子、冷暗物质和中微子的线性玻尔兹曼方程在该变换下保持不变。
• 表明该对称性在平衡复合和零中微子质量极限下，能保持CMB温度和极化各向异性、星系密度扰动以及距离比不变。
• 提出通过镜像世界暗物质区域实现该缩放对称性，而不违反今日观测到的光子密度。
• 使用原初氦丰度$Y_{\rm P}$作为可调参数，调节光子散射速率，实现$\dot{\kappa}$的有效缩放。
• 分析非零中微子质量和非平衡复合带来的对称性破缺效应，发现其影响较弱。

实验结果

研究问题

• RQ1 对引力和散射时标进行均匀缩放是否能保持关键宇宙学可观测量不变？
• RQ2 如果该对称性在CMB和大尺度结构数据中保持不变，哈勃张力如何得以解决？
• RQ3 镜像世界暗物质区域能否在不违反光子密度约束的前提下实现$\sqrt{G\rho_i}$和$\dot{\kappa}$所需的缩放？
• RQ4 该对称性对原初核合成丰度（特别是$Y_{\rm P}$和氘）有何影响？
• RQ5 现实世界中非平衡复合和非零中微子质量在多大程度上破坏了该对称性？

主要发现

• 该缩放对称性在$H$、$k$和$\dot{\kappa}$均匀缩放下，能保持所有无量纲宇宙学可观测量（包括CMB各向异性、极化和星系密度扰动）不变。
• 在零中微子质量和平衡复合极限下，该对称性是精确的，现实世界偏离带来的对称性破缺效应被发现较弱。
• 镜像世界暗物质区域允许有效缩放引力自由下落速率，同时尊重今日观测到的平均光子密度。
• 该模型原则上可容纳较高的$H_0 \approx 73$ km/s/Mpc，同时与CMB和大尺度结构数据保持一致。
• 主要挑战在于，为实现散射速率缩放所需的$Y_{\rm P}$与通过暴涨核合成观测到的原初氦和氘丰度之间存在矛盾。
• 该对称性变换将解映射为$\tilde{\Phi}(k,\dot{\kappa},a,\lambda) = \Phi(k/\lambda, \dot{\kappa}/\lambda, a, \lambda=1)$，表明缩放后的模型能重现原始模型的相同可观测量。