Dark energy from neutrino interactions in Unimodular Gravity

Resumen Técnico: Energía oscura a partir de interacciones de neutrinos en Gravedad Unimodular

Problema y Motivación
Análisis cosmológicos recientes, particularmente aquellos que involucran la colaboración DESI combinada con datos de Planck CMB y supernovas Tipo Ia, sugieren que la energía oscura puede ser una función evolutiva en lugar de una constante cosmológica ($\Lambda$) constante. Estos conjuntos de datos favorecen un componente de energía oscura evolutiva, especialmente cuando la suma de las masas de los neutrinos ($\Sigma m_\nu$) se trata como un parámetro libre. Sin embargo, los ajustes estándar de $\Lambda$CDM suelen resultar en tensiones, como el favorecimiento de masas de neutrinos negativas no físicas o conflictos con experimentos de masa de neutrinos basados en tierra. Además, se han propuesto interacciones no estándar de neutrinos para resolver anomalías de oscilación y la tensión de Hubble, a menudo involucrando mediadores escalares ligeros que inducen masas efectivas de neutrinos dependientes de la historia térmica del Universo.

Este artículo investiga un mecanismo específico donde la energía oscura surge de interacciones no estándar entre neutrinos reliquia mediadas por un campo escalar ligero ($m_\phi < \mathcal{O}(\text{eV})$). Los autores proponen que estas interacciones, dentro del marco de la Gravedad Unimodular (UG), generan un componente de energía oscura dinámica. En la UG, el tensor de energía-impulso no es estrictamente conservado, lo que permite que una densidad de corriente actúe como fuente de un término cosmológico variante en el tiempo.

Metodología y Construcción del Modelo
Los autores construyen un modelo donde la masa efectiva de los neutrinos ($m_{\text{eff},j}$) recibe correcciones de temperatura finita debido a procesos de dispersión hacia adelante en el medio cósmico, mediados por un campo escalar $\phi$. La masa efectiva está dada por:
$$m_{\text{eff},j} = m_j + \sum_{i=1}^3 G_{s,ij} \Delta m(m_i, T)$$
donde $G_{s,ij} = g_i g_j / m_\phi^2$ representa el acoplamiento efectivo, y $\Delta m$ es la densidad escalar térmica dependiente de la temperatura de los neutrinos $T_\nu$.

Dentro de la Gravedad Unimodular, la no conservación del tensor de energía-impulso ($\nabla_\nu T^{\mu\nu} \neq 0$) genera una corriente $J_\mu$. Esta corriente modifica las ecuaciones de Einstein, convirtiendo la constante cosmológica $\Lambda$ en una cantidad dinámica:
$$\Lambda(x^\mu) = \Lambda_0 + \int J_\mu dx'^\mu$$
Los autores derivan la componente temporal de esta corriente, $J_0$, la cual depende de la tasa de cambio de la masa efectiva de los neutrinos ($\dot{m}_{\text{eff}}$). Esto conduce a una densidad de energía oscura $\rho_\Lambda(T_\nu)$ que evoluciona a medida que el Universo se expande y los neutrinos transitan de regímenes relativistas a no relativistas.

Se analizan dos realizaciones específicas:

1. Modelo de un solo neutrino: El acoplamiento se restringe al estado propio de neutrino más ligero ($m_1$).
2. Modelo de dos neutrinos: Los acoplamientos involucran a los dos estados propios más ligeros ($m_1$ y $m_2$), permitiendo efectos de interferencia entre los términos.

Restricciones Cosmológicas y Análisis
Los autores restringen el modelo utilizando inferencia bayesiana con una combinación de conjuntos de datos del Universo tardío y temprano:

• Sondas de bajo redshift (LzP): Megamasers, Cronómetros Cósmicos, supernovas Tipo Ia de DES-Dovekie y BAO de DESI DR2.
• Prior de alto redshift: Priores de distancia de Planck 2018 (escala acústica $\theta_*$, parámetro de desplazamiento $R$, y $\Omega_b h^2$).

El análisis explora masas de neutrinos más ligeras en el rango $0.05 \text{ meV} \leq m_1 \leq 1 \text{ meV}$.

Resultados Clave

1. Evolución de la Energía Oscura:

   • En el modelo de un solo neutrino, la densidad de energía oscura evoluciona monotonicamente, aumentando hacia la época presente. La fuerza de interacción $G_{s1}$ está restringida a ser positiva.
   • En el modelo de dos neutrinos, la interacción entre los dos acoplamientos (que pueden tener signos opuestos) permite una evolución no monotónica. El modelo predice una densidad de energía oscura que puede alcanzar un máximo en redshifts intermedios ($z \sim 0.6 - 1$) antes de disminuir hacia el presente día. Este comportamiento imita la energía oscura "transitoria" sugerida por algunos análisis de DESI.

2. Restricciones de la Fuerza de Interacción:

   • Usando solo datos de LzP, los modelos muestran una preferencia por fuerzas de interacción no nulas a aproximadamente el nivel de $2\sigma$.
   • Para el modelo de un solo neutrino, los valores preferidos son $G_{s1} \sim (2 - 25) \times 10^{11} \text{ eV}^{-2}$, y el acoplamiento preferido disminuye a medida que la masa del neutrino aumenta.
   • Para el modelo de dos neutrinos, los valores preferidos son $G_{s2} \sim 4 \times 10^{11} \text{ eV}^{-2}$ y $G_{s1} \sim (-55, -5) \times 10^{11} \text{ eV}^{-2}$.
   • La inclusión de los priores de distancia de Planck ($\theta_*$) restringe significativamente las limitaciones, reduciendo la preferencia por acoplamientos no nulos. Para masas de neutrinos más grandes, la fuerza de interacción es consistente con cero al nivel de $1\sigma$, impulsando la solución más cerca del $\Lambda$CDM estándar.

3. Masa del Mediador:

   • Asumiendo acoplamientos de neutrinos perturbativos de orden de magnitud unidad ($g_i \sim \mathcal{O}(1)$), la escala de interacción inferida corresponde a un mediador escalar ultraligero con una masa $m_\phi \sim 10^{-6} \text{ eV}$. Esta escala de masa se encuentra dentro del rango discutido frecuentemente para partículas tipo axión y mediadores escalares ultraligeros en extensiones del Modelo Estándar.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que las interacciones de neutrinos mediadas por un campo escalar ligero, dentro del marco de la Gravedad Unimodular, pueden generar escenarios viables de energía oscura dinámica que son consistentes con las observaciones cosmológicas actuales.

• El modelo proporciona una extensión fenomenológica a $\Lambda$CDM que recupera naturalmente el límite estándar cuando las interacciones se vuelven insignificantes.
• Ofrece un mecanismo para explicar la potencial evolución de la energía oscura sugerida por datos recientes, particularmente el comportamiento no monotónico (un pico seguido de un declive) alcanzable en el escenario de dos neutrinos.
• Los resultados sugieren que, si bien la significancia estadística de las interacciones no nulas es modesta (alrededor de $2\sigma$ con datos de LzP y reducida con priores de CMB), el marco sigue siendo un candidato viable para explicar la dinámica de la energía oscura sin requerir nueva física exótica más allá de los mediadores escalares ligeros y la gravedad modificada.
• Los autores señalan que el análisis actual es una descripción efectiva del tiempo tardío; se requiere una realización microscópica completa que suprima las interacciones en el Universo temprano para una teoría completa, y el trabajo futuro deberá incluir perturbaciones y observables de la estructura a gran escala para probar aún más la viabilidad del modelo.