現在のニュートリノ質量に対する宇宙論的制約の緩和: ダークエネルギーとニュートリノの結合

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• 概要と序文
• ダークエネルギーとニュートリノの結合
• 結合が摂動と観測量に与える影響
• パラメータ推定
• 議論
• 謝辞、付録、参考文献

II. ダークエネルギーとニュートリノの結合

曲率がゼロで、空間的に均質かつ等方的な平坦な宇宙を考えてみましょう。その膨張は、フリードマン・レメートル・ロバーソン・ウォーカー（FLRW）時空計量に関連するスケール係数aによってパラメータ化されます。さらに、膨張の原因が光子（γ）、重粒子（b）、冷たい暗黒物質（c）、ニュートリノ（ν）、および現在の加速の原因であるスカラー場の暗黒エネルギー（ϕ）であることを考慮すると、フリードマン方程式は次のようになります。

本研究では、活性ニュートリノがスカラー場[13–20]と結合している質量可変ニュートリノモデルにおいて、ニュートリノ種とダークエネルギーの相互作用の可能性を検証したい。主要な宇宙論データはニュートリノの総質量にのみ敏感であるため[36, 37]、実用上[38]、質量のない2つのニュートリノと質量のあるニュートリノがクインテッセンス成分と非最小限に結合していると仮定する。結合ニュートリノは、スカラー場の値と無次元定数パラメータβに依存する可変有効質量を持つ。

ニュートリノ流体とスカラー場の応力エネルギーテンソルは別々には保存されない。

ここで、pϕ は場の圧力です。余分なソース項は相互作用なしで消えます (β = 0)。または、質量のあるニュートリノ粒子が超相対論的である場合は、トレースレス放射線として動作します。

このモデルを観測で検証するために、文献[22]で初めて提案された既知の現象論的パラメータ化を採用する。このパラメータ化では、スカラー場は宇宙進化全体にわたってe倍数N ≡ ln aに線形に依存する。スケーリングの傾きとして無次元定数λを導入する。

この単純なアプローチは、一般的なCPLパラメータ化[40, 41]の強力な代替手段です。これは、わずか1つの追加パラメータ[42]で、さまざまなダークエネルギー状態方程式の進化を捉えることができるため、ベイズ推定の退化を制限できるためです。さらに、スカラー場ポテンシャルをRef. [22, 24–26]に従って解析的に再構築できることも利点です。これは、制約式(2.1)を使用して1次微分方程式(2.7)を解いてρϕを見つけ、式(2.9)に従ってϕ˙ = λHであることに注意することで行われます。ポテンシャルは、指数項の合計です。

ここで質量スケールは次の解析式で与えられる。

図 2 から、物質優位時代にはニュートリノとの結合により wϕ が変化することがわかります。質量が増大する場合 (β > 0、点線)、場の状態方程式は非結合の場合 (β = 0、実線) に比べて小さくなります。逆に、エネルギー移動が反対方向、つまり質量が縮小するニュートリノから発生する場合 (β < 0、一点鎖線)、wϕ は大きくなります。同様に、図 3 は、スカラー場からエネルギーを受け取る非相対論的ニュートリノ (β > 0) は、エネルギーを与える場合 (β < 0) よりも、同じ現在の質量に到達するための分数エネルギー密度が低いことを示しています。

と

ここで、ϵ はニュートリノ共動エネルギーです。