A 2% determination of $N_{\rm eff}$ from primordial element abundance, cosmic microwave background, and baryon acoustic oscillation measurements

Titel en Doel

Het paper presenteert de tot nu toe nauwkeurigste beperking (constraint) op het effectieve aantal relativistische deeltjes in het vroege heelal, aangeduid als $N_{\text{eff}}$. De auteurs combineren de nieuwste metingen van de oorspronkelijke helium- en deuteriumovervloed met kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) en baryonische akoestische oscillaties (BAO) om een precisie van 2% te bereiken.

Het Probleem

$N_{\text{eff}}$ kwantificeert de bijdrage van deeltjes (anders dan fotonen) aan de stralingsdichtheid in het vroege heelal.

• Standaardmodelvoorspelling: Het Standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt $N_{\text{eff}} = 3.044$. De kleine afwijking van 3 komt door niet-instantane neutrino-ontkoppeling en de annihilatie van elektronen en positronen.
• Nieuwe Fysica: Veel modellen buiten het Standaardmodel (BSM), zoals axionen, donkere fotonen of sterile neutrino's, voorspellen extra lichte vrijheidsgraden die $N_{\text{eff}}$ zouden verhogen. Een waarde lager dan 3.044 zou kunnen wijzen op fotonverwarming na neutrino-ontkoppeling of een lage herverhittingstemperatuur na de inflatie.
• Hubble-spanning: De discrepantie tussen de lokale meting van de Hubble-constante ($H_0$) en de waarde afgeleid uit het CMB (de "Hubble tension") wordt soms geprobeerd op te lossen door extra straling (donkere straling) toe te voegen. Strikte beperkingen op $N_{\text{eff}}$ zijn daarom cruciaal om deze modellen te testen.

Methodologie

De auteurs combineren een breed scala aan state-of-the-art datasets en gebruiken de volgende aanpak:

1. Datasets:

   • Oorspronkelijke Overvloed: Nieuwe metingen van de oorspronkelijke heliumkernfractie ($Y_p$) van het Large Binocular Telescope (LBT) YP-project ($Y_p = 0.2458 \pm 0.0013$) en een consensuswaarde voor deuterium ($D/H$) uit het PDG 2024 rapport.
   • CMB: Data van Planck (2018), de Atacama Cosmology Telescope (ACT DR6) en de South Pole Telescope (SPT-3G D1).
   • BAO: Data van de Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Data Release 2 (DR2), dekkend voor roodverschuivingen $0.295 \leq z \leq 2.33$.

2. Analyse en Code:

   • Theoretische voorspellingen worden gegenereerd met CAMB, CosmoRec (recombinatie) en PRyMordial (BBN).
   • Parameterposteriorverdelingen worden gesampled met Cobaya.
   • De totale neutrino-massa is vastgezet op $\sum m_\nu = 0.06$ eV.

3. Behandeling van Lage-$\ell$ Polarisation Data:

   • Een cruciaal aspect van deze studie is de behandeling van de lage-multipool ($\ell$) polarisatiedata van Planck (specifiek $EE$). Er is een bekende, lichte inconsistentie tussen CMB- en BAO-inferenties van parameters zoals $\Omega_m$ en $H_0$ wanneer deze data wordt meegenomen.
   • De auteurs besluiten deze lage-$\ell$ $EE$-data uit te sluiten uit hun basismodel. Dit stelt hen in staat om CMB en BAO volledig consistent te combineren zonder de resultaten significant te verstoren, aangezien deze data weinig invloed heeft op de $N_{\text{eff}}$-beperking zelf, maar wel op de optische diepte ($\tau$).

Belangrijkste Resultaten

1. Nieuwe Beperking op $N_{\text{eff}}$:
   Door alle datasets te combineren (LBT $Y_p$ + $D$, Planck, ACT, SPT en DESI, zonder lage-$\ell$ $EE$), vinden de auteurs:
   $$N_{\text{eff}} = 2.990 \pm 0.070 \quad (68\% \text{ C.L.})$$
   Dit is een verbetering van ongeveer 15% ten opzichte van de vorige beste beperking (LBT + Planck) en komt uitstekend overeen met de Standaardmodelvoorspelling van 3.044.

2. Beperking op Excess ($\Delta N_{\text{eff}}$):
   Voor de extra bijdrage boven de drie neutrino's ($\Delta N_{\text{eff}} \equiv N_{\text{eff}} - 3.044$) vinden ze:
   $$\Delta N_{\text{eff}} < 0.107 \quad (95\% \text{ C.L.})$$
   Zonder de DESI-data wordt deze grens zelfs iets strakker ($\Delta N_{\text{eff}} < 0.0913$).

3. Onafhankelijkheid van $\tau$:
   De studie toont aan dat de beperkingen op $N_{\text{eff}}$ vrijwel ongevoelig zijn voor de opname of uitsluiting van de grote-schaal polarisatiedata (die de optische diepte $\tau$ bepalen). Dit maakt $N_{\text{eff}}$ een zeer robuuste parameter.

4. Fysische Implicaties:

   • Uitsluiting van Nieuwe Deeltjes: De grens sluit elk nieuw licht deeltje uit dat na de QCD-fasovergang uit het thermische bad is ontkoppeld, met een significantie van meer dan $5\sigma$.
   • Spin-3/2 Deeltjes: De grens zonder DESI-data sluit lichte spin-3/2 deeltjes uit die in thermisch evenwicht waren tot na de inflatie, met een significantie van net boven $2\sigma$.
   • Hubble-spanning: De combinatie van datasets resulteert in een $H_0$ van $68.16 \pm 0.50$ km/s/Mpc (in een $\Lambda$CDM+$N_{\text{eff}}$ model). Dit staat in een spanning van $5\sigma$ met de lokale SH0ES-meting ($73.17 \pm 0.86$ km/s/Mpc). Dit sluit "vrij stromende donkere straling" als oplossing voor de Hubble-spanning uit.

Significantie en Conclusie

• Nauwkeurigheid: Dit is de eerste keer dat $N_{\text{eff}}$ met een precisie van 2% wordt bepaald.
• Consistentie: Er is geen bewijs voor een verandering in het aantal relativistische deeltjes tussen de Big Bang-nucleosynthese (BBN, $z \approx 10^9$) en de CMB-ontkoppeling ($z \approx 1100$).
• Methodologische Doorbraak: Het paper demonstreert dat door de lage-$\ell$ polarisatiedata van Planck te verwijderen, men een volledig consistente combinatie van CMB en BAO kan maken zonder verlies aan beperkingskracht voor $N_{\text{eff}}$.
• Toekomst: De resultaten leggen zeer strenge beperkingen op aan BSM-modellen die proberen de Hubble-spanning op te lossen door extra straling toe te voegen. Toekomstige verbeteringen in de meting van de oorspronkelijke heliumovervloed en nieuwe CMB-experimenten (zoals het Simons Observatory) zullen de gevoeligheid verder vergroten.

Kortom, dit paper bevestigt het Standaardmodel van de kosmologie met ongekende precisie en sluit een breed scala aan theorieën voor nieuwe lichte deeltjes in het vroege heelal uit.