Resolving the Hubble tension with Early Dark Energy

Herold, Laura (2023): Resolving the Hubble tension with Early Dark Energy. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Verschiedene Messungen der Hubble-Konstante, einem Maß für die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums, ergeben abweichendeWerte. Kann diese Diskrepanz – bekannt als “Hubble-Tension” – nicht durch systematische Fehler in den Messungen erklärt werden, so könnte sie ein Hinweis auf neue physikalische Effekte jenseits des Standard-ΛCDM-Modells sein. Ein vielversprechendes Modell zur Behebung dieser Diskrepanz ist frühe dunkle Energie (Early Dark Energy, EDE), eine Form von dunkler Energie, die im frühen Universum auftreten soll. In der Literatur besteht jedoch kein Konsens darüber, ob das EDE-Modell sowohl die Hubble-Tension lösen als auch die gute Übereinstimmung mit den Daten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der großräumigen Struktur des Universums erhalten kann. In dieser Dissertation beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die nötigen Konzepte des Standard-ΛCDM-Modells, der Hubble-Tension, EDE und Statistik. Wir untersuchen den Ursprung gegensätzlicher Schlussfolgerungen zu EDE in der Literatur mithilfe einer Rasteranalyse und finden Hinweise darauf, dass technische Effekte in der Markov-Chain-Monte-Carlo-Analyse, sogenannte Volumeneffekte, eine große Rolle spielen und den Dissens in der Literatur erklären können. UmKonfidenzintervalle zu konstruieren, die unabhängig von Volumeneffekten sind, verwenden wir die Profile-Likelihood-Methode, eine Methode aus der frequentistischen Statistik, die selten für Analysen in der Kosmologie genutzt wird. Mithilfe des Profile-Likelihoods finden wir, dass das EDE-Modell in der Lage ist, die Hubble-Konstante zu erhöhen, um die Hubble-Tension unter eine Signifikanz von 1,7σ zu reduzieren, während gleichzeitig eine gute Übereinstimmung mit allen in dieser Dissertation betrachteten Datensätzen gewährleistet wird. Obwohl EDE damit vielversprechende Eigenschaften in Bezug auf die Auflösung der Hubble-Tension zeigt, führt es auch zu einer erhöhten Amplitude der Dichteschwankungen im späten Universum, S8, was bereits vorhandene Diskrepanzen bei Messungen von S8 verschlechtert. Wir untersuchen eine natürliche Erweiterung des EDE-Modells, die die Summe der Neutrinomassen als freien Parameter enthält, und bewerten, ob höhere Neutrinomassen die EDE-induzierte Erhöhung von S8 kompensieren können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieses Szenario jedoch durch Messdaten der großräumigen Struktur des Universums stark eingeschränkt ist. Wir schlussfolgern, dass das EDE-Modell ein möglicher Kandidat zur Auflösung der Hubble-Tension ist, während die gleichzeitige Behebung der S8-Diskrepanz anderer Erklärung bedarf.

Abstract

With the increasing precision of cosmological measurements, a number of discrepancies have emerged among which the Hubble tension, a mismatch between different measurements of the current expansion rate of the Universe, is the most significant. If not caused by systematics in the measurements, this tension could be a hint of new physics beyond the standard ΛCDM model. One of the most promising proposed solutions to this tension is Early Dark Energy (EDE), which introduces a dark-energy-like component in the early Universe that decays very quickly around recombination. However, there is no consensus in the literature whether the tension-resolving EDE model can provide an adequate fit to cosmological data of the cosmic microwave background and large-scale structure (LSS) of the Universe. Further, it has been suggested that prior volume effects influence the constraints of the EDE model from Markov Chain Monte Carlo (MCMC) analyses, which originate in the specific parametrization of the model, and lead to a strong dependence of the constraints on the prior. In this thesis, we begin by giving a brief overview about the necessary concepts of the standard ΛCDM model, the Hubble tension, EDE, and statistics. In order to understand the origin of different conclusions about EDE in the literature, we deconstruct the current constraints using a grid analysis and find evidence that prior volume effects affect the constraints of the EDE model from an MCMC analysis, suggesting that these effects are the reason behind the disagreement in the literature. Motivated by this, we use a profile-likelihood analysis to construct confidence intervals for the parameters of the EDE model. The profile likelihood, which is rarely used for cosmological parameter inference, is a standard tool in frequentist statistics to construct confidence intervals, which are independent of a prior and hence serve as a powerful tool to assess the influence of prior volume effects. With the profile likelihood, we find that the EDE model is able to raise the Hubble constant in order to reduce the Hubble tension below a significance of 1.7σ, while presenting a good fit to all data sets considered in this thesis. Although EDE shows promising properties with regards to resolving the Hubble tension, it is well known that introducing EDE comes at the cost of an increased clustering amplitude, which worsens the already existing tension in measurements of the clustering amplitude. We explore one well-motivated extension of the EDE model, which includes the sum of neutrino masses as a free parameter, and assess whether higher neutrino masses can compensate the EDE-induced clustering enhancement. We find that this scenario is disfavored since higher neutrino masses within the EDE model are tightly constrained by LSS data.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Cosmology, Expansion of the Universe, Hubble constant, Hubble tension, Early Dark Energy, Profile Likelihood
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 30. Mai 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Komatsu, Eiichiro