Probing new Physics beyond the ΛCDM Model in light of current cosmological tensions

Abstract

Using a combination of model-independent reconstructions, known as Gaussian Process (GP), and model-based analyses, statistically significant departures from ΛCDM were found at both low (z ≲ 0.5) and high (z ≳ 2) redshifts, gaining insights into dark energy (DE) dynamics. The GP results suggest an omnipotent DE, exhibiting quintessence behavior for z ≳ 2, with a transition around z ∼ 2 to usual phantom traits in 1 ≲ z ≲ 2, which suggests exploring new physics at z ≲ 0.5 and 1.5 ≲ z ≲ 2.5, particularly around z = 2, to understand cosmological tensions such as H0 and S8. In the context of Interacting Dark Energy (IDE), the implications of the Baryon Acoustic Oscillations measurement released by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) were investigated. By combining DESI data with CMB measurments from Planck-2018, a preference for interactions was observed, leading to a non-vanishing interaction rate ξ = −0.32+0.18 −0.14, which results in a present-day expansion rate H0 = 70.8 +1.4 −1.7 [km/s/Mpc], reducing the tension with the value provided by the SH0ES collaboration to less than ∼ 1.3σ. This preference for interactions remains robust when including measurements of the expansion rate H(z) obtained from the relative ages of massive, early-time, and passively-evolving galaxies, as well as when considering distance moduli measurements from Type-Ia Supernovae sourced from the Pantheon-plus catalog using the SH0ES Cepheid host distances as calibrators. Overall, the IDE framework provides an equally good, or better, explanation of both high- and low-redshift background observations compared to ΛCDM, while also yielding higher H0 values that align more closely with the local distance ladder estimates. In addition, new constraints on dynamical dark energy (DDE) were obtained from the crosscorrelation CMBκ × LRG, between CMB lensing and DESI Luminous Red Galaxy (LRG) samples, which effectively probes the impact of cosmological parameters on the growth of structure at the perturbative level. When combined with geometric measurements such as BAO and SNIa, this cross-correlation yields compelling statistical evidence for DDE exceeding 4σ. Remarkably, this evidence is independent of constraints from primary Planck CMB anisotropies data, highlighting the robustness and potential of Galaxy–CMB lensing cross-correlation as a powerful observational probe of the dark sector, particularly when used in conjunction with geometric observables.

Utilizando uma combinação de reconstruções independentes de modelo, conhecidas como Processo Gaussiano (GP), e análises baseadas em modelos, foram encontrados desvios estatisticamente significativos do ΛCDM tanto em baixos (z ≲ 0.5) como em altos (z ≳ 2) redshifts, proporcionando informações sobre a dinâmica da energia escura (DE). Os resultados do GP sugerem uma energia escura onipotente, que exibe comportamento de quintessência em z ≳ 2 e uma transição em torno de z ∼ 2 para traços fantasmas em 1 ≲ z ≲ 2, o que sugere a exploração de novas físicas em z ≲ 0.5 e 1.5 ≲ z ≲ 2.5, particularmente em torno de z = 2, para compreender tensões cosmológicas como H0 e S8. No contexto da Energia Escura Interagente (IDE), foram investigadas as implicações da medição das Oscilações Acústicas Barionicas realizada pelo Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI). Ao combinar os dados do DESI com as medições do CMB do Planck-2018, observou-se uma preferência por interações, resultando em uma taxa de interação não nula ξ = −0.32+0.18 −0.14, que leva a uma taxa de expansão atual H0 = 70.8 +1.4 −1.7 [km/s/Mpc], reduzindo a tensão com o valor fornecido pela colaboração SH0ES para menos de ∼ 1.3σ. Essa preferência por interações permanece robusta quando se incluem medições da taxa de expansão H(z) obtidas a partir das idades relativas de galáxias massivas, primitivas e de evolução passiva, assim como quando se consideram medições de módulos de distância de supernovas do tipo Ia do catálogo Pantheon-plus e usando as distâncias das Cefeidas do SH0ES como calibradores. No geral, IDE fornece uma explicação igualmente boa, ou melhor, das observações de background de alto e baixo redshift em comparação com ΛCDM, ao mesmo tempo em que resulta em valores mais altos de H0 que se alinham perfeitamente com as estimativas da escala de distância local. Adicionalmente, novas restrições sobre a energia escura dinâmica (DDE) foram obtidas a partir da correlação cruzada CMBκ × LRG, entre o lenteamento do CMB e galáxias vermelhas luminosas (LRG) do DESI, que sondam com eficácia o impacto dos parâmetros cosmológicos no crescimento da estrutura no nível das perturbações. Quando combinada com medições geométricas, como BAO e SNIa, esta correlação cruzada produz evidências estatísticas convincentes para DDE superior a 4σ. Notavelmente, esta evidência é independente das restrições dos dados primários de anisotropias Planck do CMB, destacando a robustez e o potencial da correlação cruzada entre o lente galáctico e o CMB como uma poderosa sonda observacional do setor escuro, particularmente quando usada em conjunto com observáveis geométricos. Em conjunto, as conclusões desta dissertação oferecem evidências convergentes para uma nova física no setor escuro além do ΛCDM.