[论文解读] The two-mode puzzle: Confronting self-interacting neutrinos with the full shape of the galaxy power spectrum

David Camarena, Francis-Yan Cyr-Racine+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了自相互作用的中微子，其自由流体延迟至接近物质-辐射相等时期，利用星系功率谱的完整形状来约束宇宙学模型。研究发现，与标准ΛCDM模型相比，该情景获得适度偏好，其驱动力来自轻微非线性的星系聚类数据，表明中微子的新相互作用可能与大尺度结构观测一致，且独立于CMB数据。

ABSTRACT

A cosmological scenario in which the onset of neutrino free streaming in the early Universe is delayed until close to the epoch of matter-radiation equality has been shown to provide a good fit to some cosmic microwave background (CMB) data, while being somewhat disfavored by Planck CMB polarization data. To clarify this situation, we investigate in this paper CMB-independent constraints on this scenario from the Full Shape of the galaxy power spectrum. Although this scenario predicts significant changes to the linear matter power spectrum, we find that it can provide a good fit to the galaxy power spectrum data. Interestingly, we show that the data display a modest preference for a delayed onset of neutrino free streaming over the standard model of cosmology, which is driven by the galaxy power spectrum data on mildly non-linear scales. This conclusion is supported by both profile likelihood and Bayesian exploration analyses, showing robustness of the results. Compared to the standard cosmological paradigm, this scenario predicts a significant suppression of structure on subgalactic scales. While our analysis relies on the simplest cosmological representation of neutrino self-interactions, we argue that this persistent - and somehow consistent - picture in which neutrino free streaming is delayed motivates the exploration of particle models capable of reconciling all CMB, large-scale structure, and laboratory data.

研究动机与目标

• 测试是否可利用大尺度结构数据约束自相互作用中微子导致的自由流体延迟至接近物质-辐射相等时期的现象。
• 评估星系功率谱是否能提供独立于CMB数据的此类情景证据。
• 使用轮廓似然和贝叶斯方法检验延迟自由流体情景的稳健性。
• 评估该模型是否能与原初核合成（BBN）和大尺度结构观测相协调。
• 推动发展更复杂的中微子相互作用模型，以协调CMB、大尺度结构和实验室约束。

提出的方法

• 将星系功率谱的完整形状（FS）作为宇宙学可观测量，用于约束中微子自相互作用模型。
• 采用有效四费米子相互作用模型来表示中微子自相互作用，以耦合强度 $ G_{\mathrm{eff}} $ 参数化。
• 应用一种现象学模型，其中中微子自由流体的开始被延迟，从而改变线性物质功率谱。
• 将FS数据与BBN约束结合，以改善宇宙学参数估计。
• 同时使用轮廓似然和贝叶斯模型比较方法，评估自相互作用中微子（SI ν）情景的证据。
• 将中微子质量之和固定为 $ \Sigma m_{\nu} = 0.06 $ eV，但通过自由质量分析验证结果。

Figure 1: Modes crossing the horizon during the neutrino tight-coupling era, $k^{\rm tc}_{\rm h}$ , the onset of free streaming, $k^{\rm fs}_{\rm h}$ , and well after the self-decoupling, $k_{\rm h}$ , as functions of the self-interaction coupling $G_{\mathrm{eff}}$ . The gray gradient represents th

实验结果

研究问题

• RQ1 星系功率谱的完整形状是否提供了由于自相互作用导致的中微子自由流体延迟的证据？
• RQ2 SI ν情景在拟合星系聚类数据方面与标准ΛCDM模型相比如何？
• RQ3 在不同统计方法（如轮廓似然和贝叶斯推断）下，对延迟自由流体的偏好是否稳健？
• RQ4 SI ν模型是否能与BBN和大尺度结构数据相协调，同时不与CMB极化约束冲突？
• RQ5 该情景对原初功率谱振幅 $ A_{\rm s} $ 和谱指数 $ n_{\rm s} $ 有何影响？

主要发现

• 星系功率谱数据显示，与标准ΛCDM模型相比，自相互作用中微子（SI ν）情景获得适度偏好，其驱动力来自轻微非线性尺度。
• 该偏好在轮廓似然和贝叶斯模型比较中均保持稳健，表明结果具有一致性和可靠性。
• SI ν模型预测在亚星系尺度上结构显著抑制，相较于ΛCDM。
• 该模型在原初功率谱中给出略低的振幅 $ A_{\rm s} $ 和谱指数 $ n_{\rm s} $，尽管差异较小。
• 固定 $ \Sigma m_{\nu} = 0.06 $ eV 的假设不会对 $ G_{\mathrm{eff}} $、$ N_{\mathrm{eff}} $、$ H_0 $ 或 $ \sigma_8 $ 的约束产生偏差，验证了分析选择的合理性。
• 结果表明，SI ν信号可能无法被基于恒定自由流体分数的标准相移模板捕捉，提示需要采用时变模型。

Figure 2: Linear matter power spectrum (top panel) for the $\Lambda\mathrm{CDM}+N_{\mathrm{eff}}$ cosmology and the self-interacting neutrino model with different values of $G_{\mathrm{eff}}$ . The ratios of the latter with the $\Lambda\mathrm{CDM}+N_{\mathrm{eff}}$ model are shown in the bottom pan