Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Inflation, the Hubble Tension and Early Dark Energy: an alternative overview

Published 19 Apr 2024 in astro-ph.CO and hep-ph | (2404.12779v2)

Abstract: I review and discuss the possible implications for inflation resulting from considering new physics in light of the Hubble tension. My study is motivated by a simple argument that the constraints on inflationary parameters, most typically the spectral index $n_s$, depend to some extent on the cosmological framework. To avoid broadening the uncertainties resulting from marginalizing over additional parameters (typical in many alternative models), I first adopt the same alternative viewpoint of previous studies and analyze what happens if a physical theory can fix extra parameters to non-standard values. Focusing on the dark energy equation of state $w$ and the effective number of relativistic species $N_{\rm{eff}}$, I confirm that physical theories able to fix $w \approx -1.2$ or $N_{\rm{eff}} \approx 3.9$ produce values of $H_0$ from CMB and BAO in line with the local distance ladder estimate. While in the former case I do not find any relevant implications for inflation, in the latter scenarios, I observe a shift towards $n_s \approx 1$. From a model-selection perspective, both cases are strongly disfavored compared to $\Lambda$CDM. However, models with $N_{\rm{eff}} \approx 3.3 - 3.4$ could bring the $H_0$ tension down to $\sim 3\sigma$ while being moderately disfavored. Yet, this is enough to change the constraints on inflation so that the most accredited models (e.g., Starobinsky inflation) would no longer be favored by data. I then focus on Early Dark Energy (EDE), arguing that an EDE fraction $f_{\rm{EDE}}\sim 0.04 - 0.06$ (only able to mildly reduce the $H_0$-tension down to $\sim 3\sigma$) could already require a similar change in perspective on inflation. In fact, performing a full joint analysis of EDE and Starobinsky inflation, I find that the two models can hardly coexist for $f_{\rm{EDE}}\gtrsim 0.06$.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (160)
  1. A. H. Guth, Phys. Rev. D 23, 347 (1981).
  2. A. D. Linde, Phys. Lett. B 108, 389 (1982).
  3. A. Albrecht and P. J. Steinhardt, Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982).
  4. A. Vilenkin, Phys. Rev. D 27, 2848 (1983).
  5. V. F. Mukhanov and G. V. Chibisov, JETP Lett. 33, 532 (1981).
  6. S. W. Hawking, Phys. Lett. B 115, 295 (1982).
  7. A. H. Guth and S. Y. Pi, Phys. Rev. Lett. 49, 1110 (1982).
  8. C. L. Bennett et al. (WMAP), Astrophys. J. Suppl. 208, 20 (2013), arXiv:1212.5225 [astro-ph.CO] .
  9. G. Hinshaw et al. (WMAP), Astrophys. J. Suppl. 208, 19 (2013), arXiv:1212.5226 [astro-ph.CO] .
  10. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A1 (2020a), arXiv:1807.06205 [astro-ph.CO] .
  11. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020b), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
  12. J. E. Ruhl et al. (SPT), Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 5498, 11 (2004), arXiv:astro-ph/0411122 .
  13. D. Dutcher et al. (SPT-3G), Phys. Rev. D 104, 022003 (2021), arXiv:2101.01684 [astro-ph.CO] .
  14. S. K. Choi et al. (ACT), JCAP 12, 045 (2020), arXiv:2007.07289 [astro-ph.CO] .
  15. S. Aiola et al. (ACT), JCAP 12, 047 (2020), arXiv:2007.07288 [astro-ph.CO] .
  16. M. S. Madhavacheril et al. (ACT),   (2023), arXiv:2304.05203 [astro-ph.CO] .
  17. K. S. Dawson et al. (BOSS), Astron. J. 145, 10 (2013), arXiv:1208.0022 [astro-ph.CO] .
  18. L. Anderson et al. (BOSS), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 441, 24 (2014), arXiv:1312.4877 [astro-ph.CO] .
  19. T. Delubac et al. (BOSS), Astron. Astrophys. 574, A59 (2015), arXiv:1404.1801 [astro-ph.CO] .
  20. S. Alam et al. (BOSS), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 470, 2617 (2017), arXiv:1607.03155 [astro-ph.CO] .
  21. F. Beutler et al. (BOSS), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 443, 1065 (2014), arXiv:1312.4611 [astro-ph.CO] .
  22. S. Alam et al. (eBOSS), Phys. Rev. D 103, 083533 (2021), arXiv:2007.08991 [astro-ph.CO] .
  23. M. Tegmark et al. (SDSS), Phys. Rev. D 69, 103501 (2004), arXiv:astro-ph/0310723 .
  24. U. Seljak et al. (SDSS), Phys. Rev. D 71, 103515 (2005), arXiv:astro-ph/0407372 .
  25. M. Tegmark et al. (SDSS), Phys. Rev. D 74, 123507 (2006), arXiv:astro-ph/0608632 .
  26. M. Betoule et al. (SDSS), Astron. Astrophys. 568, A22 (2014), arXiv:1401.4064 [astro-ph.CO] .
  27. T. Abbott et al. (DES), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 460, 1270 (2016), arXiv:1601.00329 [astro-ph.CO] .
  28. M. A. Troxel et al. (DES), Phys. Rev. D 98, 043528 (2018), arXiv:1708.01538 [astro-ph.CO] .
  29. T. M. C. Abbott et al. (DES), Phys. Rev. D 105, 023520 (2022), arXiv:2105.13549 [astro-ph.CO] .
  30. T. M. C. Abbott et al. (DES), Phys. Rev. D 107, 083504 (2023a), arXiv:2207.05766 [astro-ph.CO] .
  31. M. Asgari et al. (KiDS), Astron. Astrophys. 645, A104 (2021), arXiv:2007.15633 [astro-ph.CO] .
  32. T. Tröster et al. (KiDS), Astron. Astrophys. 649, A88 (2021), arXiv:2010.16416 [astro-ph.CO] .
  33. T. M. C. Abbott et al. (Kilo-Degree Survey, Dark Energy Survey), Open J. Astrophys. 6, 2305.17173 (2023b), arXiv:2305.17173 [astro-ph.CO] .
  34. D. M. Scolnic et al. (Pan-STARRS1), Astrophys. J. 859, 101 (2018), arXiv:1710.00845 [astro-ph.CO] .
  35. D. Brout et al., Astrophys. J. 938, 110 (2022), arXiv:2202.04077 [astro-ph.CO] .
  36. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 118, 121101 (2017a).
  37. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), arXiv  (2019), arXiv:1903.02886 [gr-qc] .
  38. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 118, 121101 (2017b), [Erratum: Phys. Rev. Lett.119,no.2,029901(2017)], arXiv:1612.02029 [gr-qc] .
  39. L. Boubekeur and D. H. Lyth, JCAP 07, 010 (2005), arXiv:hep-ph/0502047 .
  40. J. Martin and C. Ringeval, JCAP 08, 009 (2006), arXiv:astro-ph/0605367 .
  41. I. Moss and C. Graham, JCAP 11, 004 (2007), arXiv:0707.1647 [astro-ph] .
  42. W. Zhao and Q.-G. Huang, Class. Quant. Grav. 28, 235003 (2011), arXiv:1101.3163 [astro-ph.CO] .
  43. E. Di Valentino and L. Mersini-Houghton, JCAP 03, 002 (2017a), arXiv:1612.09588 [astro-ph.CO] .
  44. E. Di Valentino and L. Mersini-Houghton, JCAP 03, 020 (2017b), arXiv:1612.08334 [astro-ph.CO] .
  45. R. Dai and Y. Zhu, JCAP 05, 017 (2020), arXiv:1911.05973 [astro-ph.CO] .
  46. V. K. Oikonomou, Class. Quant. Grav. 38, 195025 (2021), arXiv:2108.10460 [gr-qc] .
  47. O. Özsoy, JCAP 04, 040 (2021), arXiv:2005.10280 [astro-ph.CO] .
  48. A. Stewart and R. Brandenberger, JCAP 08, 012 (2008), arXiv:0711.4602 [astro-ph] .
  49. M. Giovannini, Class. Quant. Grav. 33, 125002 (2016), arXiv:1507.03456 [astro-ph.CO] .
  50. M. Giovannini, Phys. Rev. D 98, 103509 (2018a), arXiv:1806.01937 [gr-qc] .
  51. M. Giovannini, Phys. Lett. B 789, 502 (2019), arXiv:1805.08142 [astro-ph.CO] .
  52. M. Giovannini, Eur. Phys. J. C 78, 442 (2018b), arXiv:1803.05203 [gr-qc] .
  53. W. Giarè and A. Melchiorri, Phys. Lett. B 815, 136137 (2021), arXiv:2003.04783 [astro-ph.CO] .
  54. W. Giarè and F. Renzi, Phys. Rev. D 102, 083530 (2020), arXiv:2007.04256 [astro-ph.CO] .
  55. F. D’Eramo and K. Schmitz, Phys. Rev. Research. 1, 013010 (2019), arXiv:1904.07870 [hep-ph] .
  56. C. Caprini and D. G. Figueroa, Class. Quant. Grav. 35, 163001 (2018), arXiv:1801.04268 [astro-ph.CO] .
  57. B. Allen and J. D. Romano, Phys. Rev. D 59, 102001 (1999), arXiv:gr-qc/9710117 .
  58. L. A. Boyle and A. Buonanno, Phys. Rev. D 78, 043531 (2008), arXiv:0708.2279 [astro-ph] .
  59. S. Vagnozzi, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 502, L11 (2021), arXiv:2009.13432 [astro-ph.CO] .
  60. G. Calcagni and S. Kuroyanagi, JCAP 03, 019 (2021), arXiv:2012.00170 [gr-qc] .
  61. V. K. Oikonomou, Astropart. Phys. 144, 102777 (2023a), arXiv:2209.09781 [gr-qc] .
  62. S. D. Odintsov and V. K. Oikonomou, Fortsch. Phys. 70, 2100167 (2022a), arXiv:2203.10599 [gr-qc] .
  63. G. Cañas Herrera and F. Renzi, Phys. Rev. D 104, 103512 (2021), arXiv:2104.06398 [astro-ph.CO] .
  64. V. K. Oikonomou, Phys. Rev. D 107, 064071 (2023b), arXiv:2303.05889 [hep-ph] .
  65. F. P. Fronimos and S. A. Venikoudis, Eur. Phys. J. Plus 138, 529 (2023), arXiv:2302.05173 [gr-qc] .
  66. Y. Cai, Phys. Rev. D 107, 063512 (2023), arXiv:2212.10893 [gr-qc] .
  67. V. K. Oikonomou, Nucl. Phys. B 984, 115985 (2022), arXiv:2210.02861 [gr-qc] .
  68. S. D. Odintsov and V. K. Oikonomou, Phys. Rev. D 105, 104054 (2022b), arXiv:2205.07304 [gr-qc] .
  69. J. Antoniadis et al. (EPTA),   (2023), arXiv:2306.16227 [astro-ph.CO] .
  70. G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023), arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] .
  71. A. Afzal et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L11 (2023), arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE] .
  72. S. Vagnozzi, JHEAp 39, 81 (2023a), arXiv:2306.16912 [astro-ph.CO] .
  73. V. K. Oikonomou, Phys. Rev. D 108, 043516 (2023c), arXiv:2306.17351 [astro-ph.CO] .
  74. D. H. Lyth and A. Riotto, Phys. Rept. 314, 1 (1999), arXiv:hep-ph/9807278 .
  75. A. D. Linde, Lect. Notes Phys. 738, 1 (2008), arXiv:0705.0164 [hep-th] .
  76. D. Baumann and L. McAllister, Inflation and String Theory, Cambridge Monographs on Mathematical Physics (Cambridge University Press, 2015) arXiv:1404.2601 [hep-th] .
  77. Y. Akrami et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A10 (2020a), arXiv:1807.06211 [astro-ph.CO] .
  78. D. I. Kaiser, Phys. Rev. D 81, 084044 (2010), arXiv:1003.1159 [gr-qc] .
  79. D. I. Kaiser and E. I. Sfakianakis, Phys. Rev. Lett. 112, 011302 (2014), arXiv:1304.0363 [astro-ph.CO] .
  80. C. van de Bruck and L. E. Paduraru, Phys. Rev. D 92, 083513 (2015), arXiv:1505.01727 [hep-th] .
  81. L. Pinol, JCAP 04, 002 (2021), arXiv:2011.05930 [astro-ph.CO] .
  82. A. AchĂºcarro and G. A. Palma, JCAP 02, 041 (2019), arXiv:1807.04390 [hep-th] .
  83. C. van de Bruck and R. Daniel, Phys. Rev. D 103, 123506 (2021), arXiv:2102.11719 [gr-qc] .
  84. M. De Angelis and C. van de Bruck, JCAP 10, 023 (2023), arXiv:2304.12364 [hep-th] .
  85. S. Tsujikawa and H. Yajima, Phys. Rev. D 62, 123512 (2000), arXiv:hep-ph/0007351 .
  86. S. Weinberg, Phys. Rev. D 70, 083522 (2004), arXiv:astro-ph/0405397 .
  87. D. I. Kaiser and A. T. Todhunter, Phys. Rev. D 81, 124037 (2010), arXiv:1004.3805 [astro-ph.CO] .
  88. J. Frazer, JCAP 01, 028 (2014), arXiv:1303.3611 [astro-ph.CO] .
  89. C. van de Bruck and M. Robinson, JCAP 08, 024 (2014), arXiv:1404.7806 [astro-ph.CO] .
  90. L. Iacconi and D. J. Mulryne, JCAP 09, 033 (2023), arXiv:2304.14260 [astro-ph.CO] .
  91. F. Bernardeau and J.-P. Uzan, Phys. Rev. D 66, 103506 (2002), arXiv:hep-ph/0207295 .
  92. C. M. Peterson and M. Tegmark, Phys. Rev. D 87, 103507 (2013), arXiv:1111.0927 [astro-ph.CO] .
  93. A. Kehagias and A. Riotto, Nucl. Phys. B 868, 577 (2013), arXiv:1210.1918 [hep-th] .
  94. J. Meyers and N. Sivanandam, Phys. Rev. D 83, 103517 (2011), arXiv:1011.4934 [astro-ph.CO] .
  95. D. I. Kaiser, Fundam. Theor. Phys. 183, 41 (2016), arXiv:1511.09148 [astro-ph.CO] .
  96. A. Paliathanasis and G. Leon, Eur. Phys. J. Plus 137, 165 (2022), arXiv:2105.03261 [gr-qc] .
  97. A. Paliathanasis and G. Leon, Eur. Phys. J. C 80, 847 (2020), arXiv:2007.13223 [gr-qc] .
  98. A. Paliathanasis, Class. Quant. Grav. 37, 195014 (2020), arXiv:2003.05342 [gr-qc] .
  99. P. Christodoulidis and A. Paliathanasis, JCAP 05, 038 (2021), arXiv:2101.09582 [gr-qc] .
  100. Y.-S. Piao, Phys. Rev. D 74, 047302 (2006), arXiv:gr-qc/0606034 .
  101. Y. Akrami et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A9 (2020b), arXiv:1905.05697 [astro-ph.CO] .
  102. E. R. Harrison, Phys. Rev. D 1, 2726 (1970).
  103. Y. B. Zeldovich, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 160, 1P (1972).
  104. P. J. E. Peebles and J. T. Yu, Astrophys. J. 162, 815 (1970).
  105. P. A. R. Ade et al. (BICEP, Keck), Phys. Rev. Lett. 127, 151301 (2021), arXiv:2110.00483 [astro-ph.CO] .
  106. J. A. Grayson et al. (BICEP3), Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 9914, 99140S (2016), arXiv:1607.04668 [astro-ph.IM] .
  107. T. Essinger-Hileman et al., Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 9153, 91531I (2014), arXiv:1408.4788 [astro-ph.IM] .
  108. B. A. Benson et al. (SPT-3G), Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 9153, 91531P (2014), arXiv:1407.2973 [astro-ph.IM] .
  109. S. W. Henderson et al., J. Low. Temp. Phys. 184, 772 (2016), arXiv:1510.02809 [astro-ph.IM] .
  110. A. Suzuki et al. (LiteBIRD), Journal of Low Temperature Physics 193, 1048 (2018).
  111. K. N. Abazajian et al. (CMB-S4),   (2016), arXiv:1610.02743 [astro-ph.CO] .
  112. A. A. Starobinsky, Phys. Lett. B 91, 99 (1980).
  113. L. Perivolaropoulos and F. Skara, New Astron. Rev. 95, 101659 (2022), arXiv:2105.05208 [astro-ph.CO] .
  114. E. Di Valentino, Universe 8, 399 (2022).
  115. E. Abdalla et al., JHEAp 34, 49 (2022), arXiv:2203.06142 [astro-ph.CO] .
  116. W. Lin and M. Ishak, JCAP 05, 009 (2021), arXiv:1909.10991 [astro-ph.CO] .
  117. W. Handley and P. Lemos, Phys. Rev. D 103, 063529 (2021), arXiv:2007.08496 [astro-ph.CO] .
  118. W. Giarè,   (2023), arXiv:2305.16919 [astro-ph.CO] .
  119. J.-Q. Jiang and Y.-S. Piao, Phys. Rev. D 105, 103514 (2022), arXiv:2202.13379 [astro-ph.CO] .
  120. F. Takahashi and W. Yin, Phys. Lett. B 830, 137143 (2022), arXiv:2112.06710 [astro-ph.CO] .
  121. C.-M. Lin, Phys. Rev. D 106, 103511 (2022), arXiv:2204.10475 [hep-th] .
  122. M. Kamionkowski and A. G. Riess, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 73, 153 (2023), arXiv:2211.04492 [astro-ph.CO] .
  123. A. G. Riess et al., Astrophys. J. Lett. 934, L7 (2022), arXiv:2112.04510 [astro-ph.CO] .
  124. C. Wetterich, Phys. Lett. B 594, 17 (2004), arXiv:astro-ph/0403289 .
  125. M. Doran and G. Robbers, JCAP 06, 026 (2006), arXiv:astro-ph/0601544 .
  126. F. Niedermann and M. S. Sloth, Phys. Rev. D 103, L041303 (2021), arXiv:1910.10739 [astro-ph.CO] .
  127. F. Niedermann and M. S. Sloth, Phys. Rev. D 102, 063527 (2020), arXiv:2006.06686 [astro-ph.CO] .
  128. G. Ye and Y.-S. Piao, Phys. Rev. D 101, 083507 (2020), arXiv:2001.02451 [astro-ph.CO] .
  129. L. Herold and E. G. M. Ferreira, Phys. Rev. D 108, 043513 (2023), arXiv:2210.16296 [astro-ph.CO] .
  130. F. Niedermann and M. S. Sloth,   (2023), arXiv:2307.03481 [hep-ph] .
  131. T. L. Smith and V. Poulin,   (2023), arXiv:2309.03265 [astro-ph.CO] .
  132. Z.-Y. Peng and Y.-S. Piao,   (2023), arXiv:2308.01012 [astro-ph.CO] .
  133. S. Vagnozzi, Phys. Rev. D 102, 023518 (2020), arXiv:1907.07569 [astro-ph.CO] .
  134. E. Di Valentino et al., Astropart. Phys. 131, 102604 (2021b), arXiv:2008.11285 [astro-ph.CO] .
  135. L. Knox and M. Millea, Phys. Rev. D 101, 043533 (2020), arXiv:1908.03663 [astro-ph.CO] .
  136. R. E. Keeley and A. Shafieloo, Phys. Rev. Lett. 131, 111002 (2023), arXiv:2206.08440 [astro-ph.CO] .
  137. S. Vagnozzi, Universe 9, 393 (2023b), arXiv:2308.16628 [astro-ph.CO] .
  138. K. Akita and M. Yamaguchi, JCAP 08, 012 (2020), arXiv:2005.07047 [hep-ph] .
  139. S. Kumar and R. C. Nunes, Phys. Rev. D 96, 103511 (2017), arXiv:1702.02143 [astro-ph.CO] .
  140. M. Lucca and D. C. Hooper, Phys. Rev. D 102, 123502 (2020), arXiv:2002.06127 [astro-ph.CO] .
  141. E. Di Valentino, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 502, 2065 (2021), arXiv:2011.00246 [astro-ph.CO] .
  142. C.-G. Park and B. Ratra, Astrophys. J. 882, 158 (2019), arXiv:1801.00213 [astro-ph.CO] .
  143. W. Handley, Phys. Rev. D 103, L041301 (2021), arXiv:1908.09139 [astro-ph.CO] .
  144. G. Efstathiou and S. Gratton, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 496, L91 (2020), arXiv:2002.06892 [astro-ph.CO] .
  145. D. Benisty and D. Staicova, Astron. Astrophys. 647, A38 (2021), arXiv:2009.10701 [astro-ph.CO] .
  146. B. R. Dinda, Phys. Rev. D 105, 063524 (2022), arXiv:2106.02963 [astro-ph.CO] .
  147. S. Cao and B. Ratra, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 513, 5686 (2022), arXiv:2203.10825 [astro-ph.CO] .
  148. T. M. C. Abbott et al. (DES), Phys. Rev. D 99, 123505 (2019), arXiv:1810.02499 [astro-ph.CO] .
  149. M. Moresco et al., Living Rev. Rel. 25, 6 (2022), arXiv:2201.07241 [astro-ph.CO] .
  150. N. B. Hogg,   (2023), arXiv:2310.11977 [astro-ph.CO] .
  151. A. G. Adame et al. (DESI),   (2024), arXiv:2404.03002 [astro-ph.CO] .
  152. J. Torrado and A. Lewis, JCAP 05, 057 (2021), arXiv:2005.05290 [astro-ph.IM] .
  153. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A8 (2020c), arXiv:1807.06210 [astro-ph.CO] .
  154. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A5 (2020d), arXiv:1907.12875 [astro-ph.CO] .
  155. E. Aubourg et al. (BOSS), Phys. Rev. D 92, 123516 (2015), arXiv:1411.1074 [astro-ph.CO] .
  156. W. Hu and S. Dodelson, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 40, 171 (2002), arXiv:astro-ph/0110414 .
  157. A. R. Liddle and S. M. Leach, Phys. Rev. D 68, 103503 (2003), arXiv:astro-ph/0305263 .
  158. R. E. Kass and A. E. Raftery, J. Am. Statist. Assoc. 90, 773 (1995).
  159. R. Trotta, Contemp. Phys. 49, 71 (2008), arXiv:0803.4089 [astro-ph] .
  160. G. Ye and Y.-S. Piao, Phys. Rev. D 106, 043536 (2022), arXiv:2202.10055 [astro-ph.CO] .
Citations (8)

Summary

Paper to Video (Beta)

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Authors (1)

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Tweets

Sign up for free to view the 2 tweets with 2 likes about this paper.