[論文レビュー] Cosmological Probes of Light Relics

Benjamin Wallisch|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、宇宙背景放射（CMB）および大規模構造（LSS）データを用いて、宇宙ニュートリノや仮説的な弱い結合粒子などの軽い熱的な残渣の宇宙論的プローブを提案する。CMBおよび銀河集団のバリオン音響振動（BAO）の分析を通じて、著者はBAOスペクトルを用いたニュートリノの自由流れの最初の直接測定を提示し、相対論的エネルギー密度に1パーセント未満の感度を示すことを示し、標準模型を超えた新しい軽い残渣の発見や、それらの結合定数に対するきわめて厳密な制約が可能になることを示している。

ABSTRACT

One of the primary targets of current and future cosmological observations are light thermal relics of the hot big bang. Within the Standard Model of particle physics, an important thermal relic are cosmic neutrinos, while interesting extensions predict new light particles which are even more weakly coupled to ordinary matter. These elusive particles may nonetheless be produced efficiently in the early universe and their gravitational influence could be detectable in cosmological observables. In this thesis, we describe how measurements of the cosmic microwave background (CMB) and the large-scale structure (LSS) of the universe can shed new light on the properties of neutrinos and on the possible existence of other light relics. These observations are remarkably sensitive to the amount of radiation in the early universe, partly because free-streaming species such as neutrinos imprint a small phase shift in the baryon acoustic oscillations (BAO) which we study in detail. Building on this analytic understanding, we provide further evidence for the cosmic neutrino background by independently confirming its free-streaming nature in CMB and LSS datasets. In particular, we establish a new analysis of the BAO spectrum resulting in the first measurement of this imprint of neutrinos in the clustering of galaxies. Future cosmological surveys, such as the next generation of CMB experiments (CMB-S4), have the potential to measure the energy density of relativistic species at the sub-percent level and will therefore be capable of probing physics beyond the Standard Model. We demonstrate how this can be achieved and present an observational target which would allow the detection of any light particle that has ever been in thermal equilibrium. Interestingly, even the absence of a detection would result in new insights by providing constraints on the couplings to the Standard Model. [Abridged]

研究の動機と目的

• CMBおよび大規模構造観測を用いて、宇宙ニュートリノや仮説的な弱い結合粒子を含む軽い熱的残渣の宇宙論的インプリントを調査すること。
• 現在の宇宙論的データセットを用いて、宇宙ニュートリノの自由流れ性を独立して確認すること。
• ニュートリノ効果を検出するため、標準的ルールとしての応用を超えた、バリオン音響振動（BAO）スペクトルの新しい分析法を構築すること。
• 次世代CMB実験（例：CMB-S4）が相対論的エネルギー密度を1パーセント未満のレベルで測定できる可能性を示すこと。
• 初期宇宙で常に熱的平衡にあった可能性のある粒子を検出するための観測的目標を確立すること、特にアキソンのようなスカラー粒子の制約を含む。

提案手法

• 自由流れする軽い残渣が引き起こす位相シフトを検出するために、宇宙背景放射（CMB）および大規模構造（LSS）のパワー スペクトルを分析すること。
• 銀河集団のバリオン音響振動（BAO）特徴を、標準的ルールの応用を超えてニュートリノの自由流れのプローブとして用いること。
• BAOスペクトルの解析的モデリングを用いて、銀河集団のクラスタリングに及ぼすニュートリノのインプリントを抽出すること。
• Planck、SDSS-III、DESI、およびその他の調査から得られるデータを組み合わせ、相対論的種のエネルギー密度を制約すること。
• 将来のCMB-S4実験の感度予測を提示し、追加の軽い残渣を検出または制約すること。
• 理論的フレームワークを用いて、弱い結合粒子が宇宙論的観測量に与える影響をモデリングすること、CMBおよびLSSパワー スペクトルへの影響を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のCMBおよびLSSデータを用いて、宇宙ニュートリノの自由流れ性を独立して確認できるか？
• RQ2 バリオン音響振動（BAO）スペクトルを、標準的ルールの機能を超えて、ニュートリノのダイナミクスのプローブとしてどの程度まで利用できるか？
• RQ3 将来のCMB実験（例：CMB-S4）が、相対論的エネルギー密度にどの程度の感度を達成できるか？
• RQ4 宇宙論的観測は、初期宇宙で常に熱的平衡にあった可能性のある任意の新しい軽い粒子を検出できるか？
• RQ5 将来の調査で信号が得られなかった場合、アキソンのような仮説的なスカラー粒子の結合定数は、現在の境界をはるかに超えてどの程度まで制約できるか？

主な発見

• BAOスペクトルの新しい分析を通じて、銀河のクラスタリングにおけるニュートリノの自由流れインプリントの最初の直接測定が達成された。
• 本研究は、複数の独立した宇宙論的データセットを用いて、宇宙ニュートリノの自由流れ性を確認した。
• 将来のCMB-S4実験は、相対論的種のエネルギー密度を1パーセント未満のレベルで測定できると予測されており、新しい軽い残渣の発見が可能になる。
• このような調査で信号が得られなかった場合、アキソンのような仮説的なスカラー粒子の結合定数は、現在の境界をはるかに超えて制約される。
• 本手法は、初期宇宙の放射エネルギー密度および弱く相互作用する軽い残渣の存在を、モデルに依存しない強固なプローブとして提供する。
• 本分析は、CMBおよびLSSパワー スペクトルにおけるバリオン音響振動に、自由流れする物質が引き起こす位相シフトに、宇宙論的観測が感度を持っていることを示している。