Dark energy from neutrino interactions in Unimodular Gravity

Résumé technique : l'énergie noire issue des interactions de neutrinos dans la gravité unimodulaire

Problème et motivation
Les analyses cosmologiques récentes, particulièrement celles impliquant la collaboration DESI combinées aux données du CMB de Planck et aux supernovas de type Ia, suggèrent que l'énergie noire pourrait être une fonction évolutive plutôt qu'une constante cosmologique ($\Lambda$) constante. Ces ensembles de données favorisent une composante d'énergie noire évolutive, surtout lorsque la somme des masses des neutrinos ($\Sigma m_\nu$) est traitée comme un paramètre libre. Cependant, les ajustements standards $\Lambda$CDM entraînent souvent des tensions, comme le fait de favoriser des masses de neutrinos négatives non physiques ou de entrer en conflit avec les expériences de masse de neutrinos basées au sol. De plus, des interactions non standard des neutrinos ont été proposées pour résoudre les anomalies d'oscillation et la tension de Hubble, impliquant souvent des médiateurs scalaires légers qui induisent des masses effectives de neutrinos dépendantes de l'histoire thermique de l'Univers.

Cet article étudie un mécanisme spécifique où l'énergie noire provient d'interactions non standard entre les neutrinos reliques, médiées par un champ scalaire léger ($m_\phi < \mathcal{O}(\text{eV})$). Les auteurs proposent que ces interactions, dans le cadre de la gravité unimodulaire (UG), génèrent une composante d'énergie noire dynamique. Dans l'UG, le tenseur énergie-impulsion n'est pas strictement conservé, ce qui permet à une densité de courant de sourcer un terme cosmologique variable dans le temps.

Méthodologie et construction du modèle
Les auteurs construisent un modèle où la masse effective des neutrinos ($m_{\text{eff},j}$) reçoit des corrections de température finie dues aux processus de diffusion vers l'avant dans le milieu cosmique, médiés par un champ scalaire $\phi$. La masse effective est donnée par :
$$m_{\text{eff},j} = m_j + \sum_{i=1}^3 G_{s,ij} \Delta m(m_i, T)$$
où $G_{s,ij} = g_i g_j / m_\phi^2$ représente le couplage effectif, et $\Delta m$ est la densité scalaire thermique dépendant de la température des neutrinos $T_\nu$.

Dans la gravité unimodulaire, la non-conservation du tenseur énergie-impulsion ($\nabla_\nu T^{\mu\nu} \neq 0$) génère un courant $J_\mu$. Ce courant modifie les équations d'Einstein, transformant la constante cosmologique $\Lambda$ en une quantité dynamique :
$$\Lambda(x^\mu) = \Lambda_0 + \int J_\mu dx'^\mu$$
Les auteurs dérivent la composante temporelle de ce courant, $J_0$, qui dépend du taux de variation de la masse effective des neutrinos ($\dot{m}_{\text{eff}}$). Cela conduit à une densité d'énergie noire $\rho_\Lambda(T_\nu)$ qui évolue à mesure que l'Univers se développe et que les neutrinos passent du régime relativiste au régime non relativiste.

Deux réalisations spécifiques sont analysées :

1. Modèle à un seul neutrino : Le couplage est restreint à l'état propre du neutrino le plus léger ($m_1$).
2. Modèle à deux neutrinos : Les couplages impliquent les deux états propres les plus légers ($m_1$ et $m_2$), permettant des effets d'interférence entre les termes.

Contraintes cosmologiques et analyse
Les auteurs contraignent le modèle en utilisant l'inférence bayésienne avec une combinaison de jeux de données de l'Univers tardif et de l'Univers précoce :

• Sondes de bas redshift (LzP) : Megamasers, chronomètres cosmiques, supernovas de type Ia DES-Dovekie, et BAO DESI DR2.
• Prior de haut redshift : Priors de distance de Planck 2018 (échelle acoustique $\theta_*$, paramètre de décalage $R$, et $\Omega_b h^2$).

L'analyse explore les masses de neutrinos les plus légères dans la plage $0,05 \text{ meV} \leq m_1 \leq 1 \text{ meV}$.

Résultats clés

1. Évolution de l'énergie noire :

   • Dans le modèle à un seul neutrino, la densité d'énergie noire évolue de manière monotone, augmentant vers l'époque actuelle. La force d'interaction $G_{s1}$ est contrainte à être positive.
   • Dans le modèle à deux neutrinos, l'interaction entre les deux couplages (qui peuvent avoir des signes opposés) permet une évolution non monotone. Le modèle prédit une densité d'énergie noire qui peut atteindre un maximum à des redshifts intermédiaires ($z \sim 0,6 - 1$) avant de décroître vers le présent. Ce comportement imite l'énergie noire « transitoire » suggérée par certaines analyses de DESI.

2. Contraintes sur la force d'interaction :

   • En utilisant uniquement les données LzP, les modèles montrent une préférence pour des forces d'interaction non nulles à environ le niveau de confiance de $2\sigma$.
   • Pour le modèle à un seul neutrino, les valeurs préférées sont $G_{s1} \sim (2 - 25) \times 10^{11} \text{ eV}^{-2}$, la force de couplage préférée diminuant à mesure que la masse du neutrino augmente.
   • Pour le modèle à deux neutrinos, les valeurs préférées sont $G_{s2} \sim 4 \times 10^{11} \text{ eV}^{-2}$ et $G_{s1} \sim (-55, -5) \times 10^{11} \text{ eV}^{-2}$.
   • L'inclusion des priors de distance de Planck ($\theta_*$) resserre considérablement les contraintes, réduisant la préférence pour des couplages non nuls. Pour des masses de neutrinos plus grandes, la force d'interaction devient cohérente avec zéro au niveau $1\sigma$, rapprochant la solution du $\Lambda$CDM standard.

3. Masse du médiateur :

   • En supposant des couplages de neutrinos perturbatifs de l'ordre de l'unité ($g_i \sim \mathcal{O}(1)$), l'échelle d'interaction inférée correspond à un médiateur scalaire ultra-léger avec une masse $m_\phi \sim 10^{-6} \text{ eV}$. Cette échelle de masse se situe dans la gamme souvent discutée pour les particules de type axion ou les médiateurs scalaires ultra-légers dans les extensions du Modèle Standard.

Signification et revendications
L'article affirme que les interactions de neutrinos médiées par un champ scalaire léger, dans le cadre de la gravité unimodulaire, peuvent générer des scénarios d'énergie noire dynamique viables qui sont cohérents avec les observations cosmologiques actuelles.

• Le modèle fournit une extension phénoménologique au $\Lambda$CDM qui retrouve naturellement la limite standard lorsque les interactions deviennent négligeables.
• Il offre un mécanisme pour expliquer l'évolution potentielle de l'énergie noire suggérée par les données récentes, en particulier le comportement non monotone (un pic suivi d'un déclin) réalisable dans le scénario à deux neutrinos.
• Les résultats suggèrent que, bien que la signification statistique des interactions non nulles soit modeste (environ $2\sigma$ avec les données LzP et réduite avec les priors CMB), le cadre reste un candidat viable pour expliquer la dynamique de l'énergie noire sans nécessiter de nouvelle physique exotique au-delà des médiateurs scalaires légers et de la gravité modifiée.
• Les auteurs notent que l'analyse actuelle est une description effective de l'époque tardive ; une réalisation microscopique complète supprimant les interactions dans l'Univers primordial est nécessaire pour une théorie complète, et les travaux futurs devront inclure les perturbations et les observables de la grande structure pour tester davantage la viabilité du modèle.