理論懇シンポジウム(2014)2014年12月26日

有限の質量に崩壊する暗黒物質の宇宙論的観測量に与える影響と暗黒物質の寿命の評価
名古屋大学・宇宙論研究室
博士3年 青山尚平
SA, T. Sekiguchi, K. Ichiki, N. Sugiyama (2014) [1402.2972](JCAP)
SA, D. Nitta & K. Ichiki., in prop. (2015?)

Table of contents• 標準の宇宙論模型であるΛCDM模型の問題点と崩壊する暗黒物質• 暗黒物質の崩壊現象のCMBのCℓTTとP(k)への影響• マルコフ連鎖モンテカルロを用いた暗黒物質の寿命の評価• まとめ

暗黒物質について

Planck2013• 電磁気力、強い力を感じない未知の重力源• 冷たい暗黒物質(CDM)と宇宙項Λ含めたΛCDM模型は現在の観測結果を非常にうまく説明する。
http://www.deepspace.ucsb.edu/planck-2013cosmology-release-march-21

暗黒物質について

Planck2013• 電磁気力、強い力を感じない未知の重力源• 冷たい暗黒物質(CDM)と宇宙項Λ含めたΛCDM模型は現在の観測結果を非常にうまく説明する。
http://www.deepspace.ucsb.edu/planck-2013cosmology-release-march-21

温度+偏光
http://www.cosmos.esa.int/documents/387566/387653/Ferrara_Dec1_16h30_Efstathiou_Cosmology.pdf

暗黒物質について

Planck2013• 電磁気力、強い力を感じない未知の重力源• 冷たい暗黒物質(CDM)と宇宙項Λ含めたΛCDM模型は現在の観測結果を非常にうまく説明する。
http://www.deepspace.ucsb.edu/planck-2013cosmology-release-march-21• 構造形成に関して重要CDMは未知の素粒子である可能性が高いと考えられているが、その性質については未知の部分が多い。

• 暗黒物質に崩壊する性質があると、未だによくわかっていない暗黒物質粒子に関わる相互作用に関する情報が得られる。

Planck anomaly
PlanckのClTTから推定される初期の密度ゆらぎがLCDMに従って時間発展した場合のσ8はSZ効果を使って発見した銀河団のNumber countから推定されるσ8より2s有意水準以上で大きい。

Planck Collaboration(2013,XX)[1303.5080]

考える崩壊する暗黒物質(DDM)の模型• 本研究では2体に崩壊するDDM模型を考える。
2体に崩壊する場合は素粒子模型の依らずに崩壊過程が記述できる。(暗黒物質→暗黒物質)
寿命

G-1• 本研究ではmD2=0と仮定する。

M, D1, D2はすべて暗黒物質• M,D1,D2の平均密度ri、密度ゆらぎdriの時間発展を運動量分布関数の時間発展を解くことによって求める。

最後の章以外は通常の6つの宇宙論パラメータはΛCDMを仮定して求められたもので固定。

本研究の特徴• latetime DDMの密度ゆらぎと寿命に関する先行研究では
mD1=mD2=0 [Ichiki+(2004), Amigo+(2009), etc.]:G-1>100Gyror mD1≈mM.and.mD2=0 [Wang+(2012), etc.]:G-1≳300Gyr• 本研究では。
• mD1が任意の場合でCMBのClTT,ClEEや物質のパワースペクトルP(k),8h0Mpc-1の密度ゆらぎの平均振幅s8への影響を影響を評価することができる。

寿命G-1
103Gyr102Gyr101Gyr0?
1密度ゆらぎの時間発展• 暗黒物質の密度ゆらぎの時間発展はボルツマン方程式から求める。

娘粒子m0次1次 (微小量)

0次 SA+2011[1106.1984], Wang & Zentner (2012) [1201.2426]

娘粒子の1次に関する方程式• 娘粒子ΔfDmをルジャンドル展開をする。

この連立偏微分方程式をCAMB (A.Lewis & A.Challinor(2012))を用いて数値的に解いて、ΔfDj(0)(q,t,ni,ki),及びdM, dDmを求める。

暗黒物質が宇宙年齢のオーダーで崩壊する場合
重力ポテンシャルφDDM

Λ -CDMa• 暗黒物質の崩壊により重力ポテンシャルφ(k)が浅くなる。
• 宇宙寿命のオーダーで崩壊する場合、φの長波長成分が浅くなり、• CMBの温度ゆらぎの大きなスケールのcorrelationを増幅する。
• この効果はCMBのClTTではIntegrated Sachs-Wolfe effect (ISW)をLCDMより大きくしてClTTグラフの左端を押し上げる。

eg., Ma & Bertschinger (1995)[astro-ph/9506072]
Seljak & Zaldarriaga (1996)[astro-ph/9603033]

CMBのClTT

ISW―mD1/mM=0.3―mD1/mM=0.5―mD1/mM=0.7―mD1/mM=0.9― ΛCDM

①膨張則の変化によるacoustic peakの右側へのshiftする。 →②φの減衰によりIntegrated Sachs-Wolfe EffectでCosmic varianceが大きなlow ℓでCℓTTは大きくなる。↑

Matter power spectrum
1. 観測できる宇宙でどの波長の密度ゆらぎがどれだけあるかを描いたもの

2. 粒子のFree streamingの影響が見えやすい。

M.Tegmark et al.(2004)
ApJ,606,702

Estimation of Cut off scaleainiはt=G-1の時のスケールファクター
viniは娘粒子生成時に娘粒子の物理的な速さP (k)が抑制されているscaleはfree streaming scale λFSSに一致する。
matter power spectrumを抑制するのは娘粒子のfree streamingである。

Matter Power spectrum(長寿命の場合)•長寿命でもΛ-CDM模型との差が顕著にみられる。

σ8を用いた暗黒物質の寿命の制限
σ8はR=8h-1Mpcの球で平均した物質質量ゆらぎの標準偏差(√分散)でP (k)を用いて定義される。

SDSS-III (DR9)のバリオン音響振動の観測によるσ8の制限
Sánchez et al.(2012)[arXiv:1203.6616]

σ8からのDDMの寿命の制限
2σ anomaly

1. D1が相対論的速度で生成される場合、許される寿命の下限値は質量比に依らず2000億年である。
2. 他の先行研究と合わせると許されるパラメータ領域は1a. 寿命2000億年以上の相対論的粒子への崩壊
b. mD1≳0.99mM

Planck anomaly
PlanckのClTTから推定される初期の密度ゆらぎがLCDMに従って時間発展した場合のσ8はSZ効果を使って発見した銀河団のNumber countから推定されるσ8より2σ有意水準以上で大きい。

Planck Collaboration(2013,XX)[1303.5080]

Planck anomalyを説明するパラメータ領域
Favored region

Planck 2013

この結果は他のPlanckの観測結果、
例えばPlanckのlensing Clφ φ と整合的か。

Planck anomalyを説明するパラメータ領域のCljj―mD1/mM=0.3―mD1/mM=0.9― LCDM

このrelativistic decayはCMB gravitational lensing Clφφと観測結果と整合的である。

マルコフ連鎖モンテカルロを用いた
DDM parameterの評価• 今までの研究は宇宙論パラメータを固定して計算した。
• 暗黒物質の崩壊現象は①geometryの変化によりacoustic peakの位置が変わる。
②ISWによりCℓTTのlow ℓ側が大きくなる。
• DDM cosmologyを考えると宇宙論パラメータ(Ωbh2, Ωch2, h, ns, τopt, As)がΛCDMの予想から変わることが予想される。
• Planckで観測されたCℓTTを用いてDDM parameter(Γ-1, r)も含めた宇宙論パラメータの推定を行う。

DDM cosmologyにおけるMCMCの困難• 位相空間で分布関数を解く必要があるのでCℓTTの計算に時間がかかる。1 parameter set ~7hours.
• Planckの観測結果がΛCDM model(Γ-1/tage→+∞)でうまく説明できていることに注目してΩc h 2
パラメータ空間をグリッドに分割して+2.5σPその内部のCℓTTを内挿して求めることを考える。

• MCMCの計算には公開コード
CosmoMC (Lewis & Bridle (2002))[astro-ph/0205436]を利用する。

Planck fiducial value(0.02207, 0.6711, 0.1209)

h2-2.5σPΩb h 2

DDM cosmologyにおけるMCMCの困難• グリッドは各パラメータでPlanck fidutial valueを中心に
Xi = XiPlanck fid. + (-2.5σiPlanck, 0, -2.5σiPlanck)
Planck fiducial value
optical depthのみ±2.0 σPlanckの3点。
(0.02207, 0.6711, 0.1209)
パラメータを振る範囲はこのグリッド間に限定。
• DDM parameterはΩc h 2
Γ=(0, 0.01, 0.02) Gyr, r = (0.1, 0.4, 0.7)+2.5σP• 以下の公式で内挿する。

h2• 係数Aℓi, B ℓijは各点間の差分で求める -2.5σPΩb h 2

各パラメータと既存の宇宙論パラメータの依存関係• ハッブル定数と暗黒物質の寿命との間に相関がある。

各パラメータと既存の宇宙論パラメータの依存関係• ハッブル定数と暗黒物質の崩壊率との相関がある。

• これは暗黒物質の寿命が短くなることによってCMB・LSSまでの角径距離dAが伸びる。SA+(2011)[1106.1984]
H0を大きくすることによって相殺している。

各パラメータと既存の宇宙論パラメータの依存関係• 親粒子の総量と暗黒物質の崩壊率との相関がある。

• これは暗黒物質の寿命が短くなることによって暗黒物質が減少し、これを親粒子の量が減少したと評価される。

暗黒物質の寿命と質量比の制限• 1400億年未満の暗黒物質の崩壊現象は2σ有意水準で棄却している。
• relativistic decayに関する
Ichiki et al. (2004) [astro-ph/0403164]の制限とconsistent暗黒物質の寿命と質量比の制限• 1400億年未満の暗黒物質の崩壊現象は2σ有意水準で棄却している。
• relativistic decayに関する
Ichiki et al. (2004) [astro-ph/0403164]の制限とconsistent

Ichiki et al. (2004)gridを用いたMCMCの困難• 3点しかないので誤った• likelihoodの極小値に収束している• 恐れがある。

ln ℒ• future work
O(1)
これを回避するためにgridを切らず、1パラメータの計算時間を減少させて直接MCMCを回すことができるようにしたい。

Γ-1

まとめ• 暗黒物質の崩壊現象は①geometryの変化によりacoustic peakの位置が変わる。
②ISWによりCℓTTのlow ℓ側が大きくなる。(gravitational potential decay on largescales)• DDM関係パラメータ以外の宇宙論パラメータを固定してΓ-1>200Gyr• Gridでパラメータ空間を区切り、内挿したCℓTTとPlanckのデータを比較する(MCMCをまわす)ことで、Γ-1<140 Gyrを2σで棄却した。
• 内挿方法固有の問題を解決するために短時間でCℓTTを計算するアルゴリズムを構築したい。