Interpreting the Hubble tension with a cascade decaying dark matter sector

Résumé Technique : Interprétation de la Tension de Hubble avec un Secteur de Matière Noire en Cascade Désintégrant

Énoncé du Problème
L'article traite de la « tension de Hubble », une divergence d'environ $5,8\sigma$ entre la mesure de la constante de Hubble ($H_0 = 67,36 \pm 0,54$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$) dans l'univers primordial, issue des données du CMB de Planck 2018, et la mesure directe dans l'univers tardif ($H_0 = 73,01 \pm 0,92$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$) réalisée par la collaboration SH0ES. Dans le cadre standard du $\Lambda$CDM, cette tension est largement considérée comme une indication de nouvelle physique. Les tentatives précédentes pour résoudre ce problème se sont concentrées soit sur des modifications à l'époque primitive (par exemple, l'Énergie Noire Primitive), soit sur des modifications à l'époque tardive. Cependant, les auteurs notent que les modifications à effet unique échouent généralement à réduire la tension au niveau acceptable de $3\sigma$, l'Énergie Noire Primitive (EDE) constituant une exception notable. L'article examine si un modèle unifié intégrant à la fois des effets à l'époque primitive et tardive peut atteindre une valeur de $H_0$ plus élevée tout en restant cohérent avec les autres contraintes cosmologiques.

Méthodologie
Les auteurs proposent et analysent un modèle de Matière Noire en Cascade Désintégrant (CDDM). Dans ce cadre, la Matière Noire Froide (CDM) standard est remplacée par un secteur impliquant deux espèces de particules, $\chi_M$ et $\chi_m$ :

1. Production à l'Époque Primitive : Une particule parente lourde $\chi_M$ (masse $M$) se désintègre en une particule plus légère $\chi_m$ (masse $m$) et un état final du Modèle Standard (SM) $X$ durant l'univers primordial ($\tau_M \le 10^4$ s). Les particules $\chi_m$ résultantes sont initialement relativistes, contribuant au nombre effectif de neutrinos ($N_{\text{eff}}$), et deviennent plus tard non relativistes.
2. Désintégration à l'Époque Tardive : Les particules $\chi_m$, agissant comme matière noire, se désintègrent ensuite en neutrinos du Modèle Standard ($\chi_m \to \nu + \bar{\nu}$) à des époques tardives ($\tau_m \ge 100$ Gyr).

Le modèle est paramétré par trois paramètres indépendants : le rapport de masse $M/m$, la durée de vie de la particule parente $\tau_M$, et le taux de désintégration de la particule fille $\Gamma_m$ (lié à $\tau_m$). Les auteurs implémentent les équations de fond et de perturbation linéaire pour ce secteur dans le solveur de Boltzmann CLASS et effectuent une analyse par Chaîne de Markov Monte Carlo (MCMC) utilisant Cobaya.

L'analyse ajuste le modèle aux derniers ensembles de données :

• CMB : Température/polarisation à bas $\ell$ de Planck 2018, spectres TT/TE/EE à haut $\ell$, et potentiel de lentillage.
• BAO : Données DESI DR2 (contraintes de distance isotropes et anisotropes).
• Supernovae : Compilation Pantheon+.
• Priorité Locale : Mesure $H_0$ de SH0ES ($73,04 \pm 1,04$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$).

L'étude fait varier systématiquement les priors des paramètres et inclut/exclut le prior local $H_0$ pour évaluer la robustesse des résultats. Enfin, les régions de paramètres favorisées sont testées contre des contraintes complémentaires : la Nucléosynthèse Primordiale (BBN), les limites de flux de neutrinos provenant de divers télescopes, et la formation des structures (longueur de libre parcours moyen).

Résultats Clés

1. Valeurs de la Constante de Hubble :

   • Lors de l'ajustement de Planck 2018 + DESI BAO + Pantheon + SH0ES avec des priors spécifiques (Priors III), le modèle donne $H_0 = 69,05^{+0,31}_{-0,27}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ (IC 68 %).
   • Sans le prior local SH0ES, la valeur chute à $H_0 = 68,76 \pm 0,35$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$.
   • Ces valeurs réduisent la tension à environ $3,8\sigma$.

2. Impact des Priors et $\Delta\chi^2$ :

   • L'étude révèle une forte dépendance aux priors des paramètres. Bien que l'ajustement des priors puisse produire des valeurs de $H_0$ légèrement plus élevées, cela se fait au prix d'une augmentation significative de $\Delta\chi^2$ (aggravant l'ajustement statistique).
   • Pour le scénario d'ajustement optimal (Priors III), $\Delta\chi^2 = +16,0$ par rapport au $\Lambda$CDM, indiquant une préférence statistique pour le modèle standard par rapport au modèle CDDM compte tenu des ensembles de données utilisés.
   • Les auteurs observent une tendance selon laquelle réduire davantage la tension (en dessous de $3\sigma$) nécessite des priors qui entraînent un $\Delta\chi^2 prohibitivement élevé.

3. Contraintes Complémentaires :

   • BBN : Les régions de paramètres favorisées par les données cosmologiques (spécifiquement $\tau_M$ et $M/m$) sont cohérentes avec les limites de la BBN sur les abondances des éléments légers (D/H et $^7$Li/H).
   • Flux de Neutrinos : La désintégration tardive en neutrinos implique une gamme de masses pour $\chi_m$ de $m \sim 1-10$ MeV, qui reste compatible avec les contraintes de Borexino, KamLAND et Super-Kamiokande.
   • Formation des Structures : La longueur de libre parcours moyen ($\lambda_{fs}$) induite par la vitesse de recul de la désintégration précoce est calculée à $\sim 10^{-2}$ Mpc, bien dans la limite observationnelle de $\lambda_{fs} < 0,1$ Mpc.

Signification et Revendications
L'article prétend réviser les résultats de la littérature antérieure qui suggéraient que la tension de Hubble pourrait être réduite en dessous du niveau de $3\sigma$ dans le cadre de scénarios de modification de la matière noire. Les auteurs soutiennent que les études précédentes ont pu souffrir d'analyses MCMC inexactes ou incomplètes.

La conclusion principale est que, bien que le modèle CDDM intègre avec succès à la fois les effets à l'époque primitive (relativistes) et à l'époque tardive (désintégration) pour augmenter $H_0$, il ne peut pas réduire la tension de Hubble en dessous du niveau de $\sim 3\sigma$ sans encourir une pénalité statistique significative (grand $\Delta\chi^2$). Les auteurs affirment que la tension reste un défi majeur, car le modèle n'offre pas de solution « gratuite » satisfaisant simultanément tous les ensembles de données et critères statistiques. Ce travail sert de test rigoureux de la matière noire en cascade désintégrant, démontrant sa compatibilité avec les limites actuelles tout en soulignant la difficulté de résoudre la tension uniquement par ce mécanisme.