[论文解读] Ultra-light axions and the $S_8$ tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering

Keir K. Rogers, Renée Hložek+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

论文联合分析 Planck CMB 数据与 BOSS 星系聚类以约束超轻轴子（质量范围 10^{-32} eV 到 10^{-24} eV），并评估其在通过抑制小尺度结构来缓解 S8 张力方面的潜力。研究发现对轴子密度的严格限制，并识别一个窗口，在该窗口内轴子可以温和地改善 CMB–LSS 一致性。

ABSTRACT

We search for ultra-light axions as dark matter (DM) and dark energy particle candidates, for axion masses $10^{-32}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-24}\,\mathrm{eV}$, by a joint analysis of cosmic microwave background (CMB) and galaxy clustering data -- and consider if axions can resolve the tension in inferred values of the matter clustering parameter $S_8$. We give legacy constraints from Planck 2018 CMB data, improving 2015 limits on the axion density $Ω_\mathrm{a} h^2$ by up to a factor of three; CMB data from the Atacama Cosmology Telescope and the South Pole Telescope marginally weaken Planck bounds at $m_\mathrm{a} = 10^{-25}\,\mathrm{eV}$, owing to lower (and theoretically-consistent) gravitational lensing signals. We jointly infer, from Planck CMB and full-shape galaxy power spectrum and bispectrum data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), that axions are, today, $< 10\%$ of the DM for $m_\mathrm{a} \leq 10^{-26}\,\mathrm{eV}$ and $< 1\%$ for $10^{-30}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-28}\,\mathrm{eV}$. BOSS data strengthen limits, in particular at higher $m_\mathrm{a}$ by probing high-wavenumber modes ($k < 0.4 h\,\mathrm{Mpc}^{-1}$). BOSS alone finds a preference for axions at $2.7 σ$, for $m_\mathrm{a} = 10^{-26}\,\mathrm{eV}$, but Planck disfavours this result. Nonetheless, axions in a window $10^{-28}\,\mathrm{eV} \leq m_\mathrm{a} \leq 10^{-25}\,\mathrm{eV}$ can improve consistency between CMB and galaxy clustering data, e.g., reducing the $S_8$ discrepancy from $2.7 σ$ to $1.6 σ$, since these axions suppress structure growth at the $8 h^{-1}\,\mathrm{Mpc}$ scales to which $S_8$ is sensitive. We expect improved constraints with upcoming high-resolution CMB and galaxy lensing and future galaxy clustering data, where we will further assess if axions can restore cosmic concordance.

研究动机与目标

• 在 10^{-32} eV ≤ m_a ≤ 10^{-24} eV 内寻找作为暗物质或暗能量候选的超轻轴子。
• 使用 Planck 2018、ACT、SPT 和 BOSS 数据量化 axion 对 Ω_a h^2 的贡献。
• 评估轴子是否能降低 CMB 与大尺度结构数据之间的 S8 张力。
• 通过 EFT of LSS 将模型扩展到弱非线性尺度，以包含星系功率谱和双点相关谱。
• 就轴子质量和密度提供联合约束，并讨论对宇宙学一致性的影响。

提出的方法

• 用线性理论加上对于 m_a 在 H(z_eq) 附近及以下的有效流体描述来建模轴子，使用 axionCAMB 处理线性扰动。
• 结合 CLASS-PT 的非线性大尺度结构 EFT（EFT of LSS）来建模 P_ℓ(k,z) 和 B_0(k1,k2,k3) 以描述星系聚类。
• 通过 Planck、ACT-DR4、SPT-3G 数据评估轴子对 CMB 的影响，包括对 φφ 的透镜效应。
• 使用完整形状的 BOSS 星系功率谱和双点相关谱的单极面，并重构实空间功率谱 Q0(k,z) 与 Alcock-Paczynski 参数 α_∥、α_⊥。
• 对 EFT 噪声参数（偏差、对撞项、随机项）以及轴子对背景和线性功率谱的修改进行边际化处理。
• 在与数据比较时考虑红外重采样与 AP 扭曲效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定范围内的超轻轴子是否能对 Ω_a h^2 做出实质性贡献而不与 CMB 和星系聚类数据相冲突？
• RQ2 超轻轴子是否足以抑制小尺度功率以降低 CMB 与大尺度结构观测之间的 S8 张力？
• RQ3 将 Planck、ACT、SPT 与 BOSS 数据联合分析时，轴子质量 m_a 与密度 Ω_a h^2 的联合约束如何？
• RQ4 是否存在某个质量窗口，使轴子在不恶化其他宇宙学观测的前提下改善 CMB–LSS 一致性？
• RQ5 非线性建模与 EFT of LSS 如何影响相较于仅线性理论推断的轴子界限？

主要发现

• Planck 2018 的界限，在某些区间被 ACT 与 SPT 强化，约束轴子密度在多种质量下今日为次主导（例如 m_a ≤ 10^{-26} eV 时占比小于 DM 的 10%，而 10^{-30} eV ≤ m_a ≤ 10^{-28} eV 时小于 1%）。
• 通过对完整形状分析，BOSS 数据在较高质量区间通过探测 k < 0.4 h/Mpc 来强化界限。
• 仅靠 BOSS 就显示 m_a = 10^{-26} eV 的轴子有 2.7σ 的偏好，但与 Planck 组合后被否定。
• 在窗口 10^{-28} eV ≤ m_a ≤ 10^{-25} eV 的轴子可通过抑制小尺度结构生长将 S8 差异从约 2.7σ 降至约 1.6σ。
• 轴子在与 S8 相关的 8 h^{-1} Mpc 标度处抑制结构生长，为调和 CMB 与星系聚类数据提供潜在途径。
• 未来高分辨率 CMB 透镜成像与星系 surveys 预计将进一步收紧这些约束并进一步检验轴子驱动的一致性恢复。