[论文解读] The Hubble Constant in the Axi-Higgs Universe

Leo WH Fung, Lingfeng Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

该论文提出轴子-Higgs模型——一种将超轻轴子与希格斯场耦合的宇宙学框架——以同时解决宇宙学中的哈勃常数（$H_0$）和$S_8$张力。通过在早期宇宙中改变希格斯真空期望值，该模型抑制了结构增长并改变了宇宙微波背景（CMB）各向异性，而轴子的后期能量密度则影响了哈勃参数。在质量为$m = 2 imes 10^{-30}$ eV的基准情景下，该模型利用CMB+BAO+WL+SN数据拟合得到$H_0 = 69.9 \pm 1.5$ km/s/Mpc，当结合本地距离-红移测量时，$H_0 = 72.42 \pm 0.76$ km/s/Mpc，成功调和了两种张力，同时解决了$^7$Li丰度难题和宇宙双折射现象。

ABSTRACT

The $Λ$CDM model provides an excellent fit to the CMB data. However, a statistically significant tension emerges when its determination of the Hubble constant $H_0$ is compared to the local distance-redshift measurements. The axi-Higgs model, which couples an ultralight axion to the Higgs field, offers a specific variation of the $Λ$CDM model. It relaxes the $H_0$ tension as well as explains the $^7$Li puzzle in Big-Bang nucleosynthesis, the clustering $S_8$ tension with the weak-lensing data, and the observed isotropic cosmic birefringence in CMB. In this paper, we demonstrate how the $H_0$ and $S_8$ tensions can be relaxed simultaneously, by correlating the axion impacts on the early and late universe. In a benchmark scenario ($m=2 imes 10^{-30}$ eV) selected for experimental tests soon, the analysis combining the CMB+BAO+WL+SN data yields $H_0 = 69.9 \pm 1.5$ km/s/Mpc and $S_8 = 0.8045 \pm 0.0096$. Combining this (excluding the SN (supernovae) part) with the local distance-redshift measurements yields $H_0 = 72.42 \pm 0.76$ km/s/Mpc, while $S_8$ is slightly more suppressed.

研究动机与目标

• 解决普朗克CMB数据与本地距离阶梯测量之间持续存在的$H_0$张力问题。
• 同时缓解$Λ$CDM模型预测与弱引力透镜观测之间的$S_8$张力问题。
• 通过希格斯真空期望值的改变，解释大爆炸核合成中$^7$Li丰度的差异。
• 通过轴子与光子的陈-西蒙斯耦合，解释观测到的CMB中各向同性的宇宙双折射现象。
• 提供一个统一框架，使单一超轻轴子通过其动力学和能量沉积，在早期与晚期宇宙中产生影响。

提出的方法

• 轴子-Higgs模型引入了超轻轴子$a$与希格斯二重态$\phi$之间的耦合，其势能为$V(a,\phi,\phi^\dagger) = m^2 a^2/2 + |m_s^2 F(a) - \kappa \phi^\dagger \phi|^2$，其中$F(a) = 1 + C a^2 / M_{\text{Pl}}^2$。
• 轴子场从初始的非对齐态$a_{\text{ini}}$开始演化，当$H(z) \sim m$时沿势能滚动，并在$z \sim 1000-100$时将能量沉积到暗物质中。
• 该模型采用一阶微扰方法计算宇宙学参数，包含五个自由参数：$\omega_b$、$\omega_c$、$h$、$\delta v_{\text{ini}}$ 和 $\omega_a$。
• 轴子的超长德布罗意波长抑制了小尺度星系团聚，从而降低$S_8$，而对早期宇宙拟合中的$H_0$影响较小。
• 该模型引入了轴子与光子的陈-西蒙斯耦合，以解释CMB极化中观测到的各向同性宇宙双折射现象。
• 通过结合CMB（普朗克）、BAO、弱引力透镜（KiDS-1000、DES）以及超新星（SN）或本地距离-红移（DR）测量数据，推导出参数约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一超轻轴子模型能否同时解决宇宙学中的$H_0$与$S_8$张力？
• RQ2 轴子在早期宇宙中对希格斯真空期望值的影响如何影响大爆炸核合成，特别是$^7$Li丰度？
• RQ3 轴子的后期能量密度在多大程度上改变了哈勃参数与团聚幅度？
• RQ4 轴子与光子的陈-西蒙斯耦合能否解释CMB中观测到的各向同性宇宙双折射？
• RQ5 轴子衰变常数$f_a$的可行参数范围是什么，才能同时满足所有四个宇宙学难题？

主要发现

• 在质量为$m = 2 \times 10^{-30}$ eV的基准情景下，该轴子-Higgs模型利用CMB+BAO+WL+SN数据拟合得到$H_0 = 69.9 \pm 1.5$ km/s/Mpc。
• 当CMB+BAO+WL+SN约束与本地距离-红移测量结合时，$H_0 = 72.42 \pm 0.76$ km/s/Mpc，成功解决了$H_0$张力。
• 该模型从CMB+BAO+WL+SN数据中预测$S_8 = 0.8045 \pm 0.0096$，与KiDS-1000和DES弱引力透镜巡天的较低$S_8$值一致。
• 当引入本地DR数据时，$S_8$值略微降低至$0.7964^{+0.0093}_{-0.0084}$，表明$S_8$张力得到一致缓解。
• 该模型倾向于衰变常数$f_a \sim 10^{17}-10^{18}$ GeV，这在具有闭合弦扇区轴子的弦理论启发的膜世界情景中是自然的。
• 来自$H_0$、$S_8$、$^7$Li难题与宇宙双折射的约束相互交集，支持单一轴子模型，其$f_a$位于$10^{17}-10^{18}$ GeV范围内，为多个宇宙学张力提供统一解法。