[論文レビュー] Cosmology with sterile neutrino masses from oscillation experiments

J. Kristiansen, Ø. Elgarøy+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、短基長（SBL）ニュートリノ振動実験から推定されるeVスケールの不活性ニュートリノの宇宙論的整合性を調査する。SBLデータと宇宙論的プローブ（CMB、BAO、SN Ia、HST、BBN）を組み合わせることで、WMAP9+SN1a+BAO+HST+BBNデータを用いた場合、1 eVの不活性ニュートリノは宇宙論と整合的であることが判明したが、SDSS LRGデータの銀河パワースペクトルは矛盾を引き起こす。宇宙定数モデル（w = -1）は事後分布において1σの範囲内にあり、物質パワースペクトルの制約を除いた場合、~10 eVまでの熱平衡状態の不活性ニュートリノは整合的である。

ABSTRACT

There are hints, both from cosmology and from neutrino oscillation experiments, that one or two sterile neutrinos with eV masses are favored. We consider the implications of combining data from short baseline neutrino experiments with cosmological observations. In particular we consider cosmological models where the equation of state of dark energy and the curvature are allowed to vary. We find that the consistency of results from short baseline experiments and cosmology is dependent on the cosmological data sets that are used. When the two are consistent, we find that the inclusion of information from short baseline experiments only mildly affects the preferred values of the cosmological model parameters. A universe with a cosmological constant type dark energy and zero curvature is still fully consistent with the data we use. We also report that a thermalized sterile neutrino in the 10 eV range is fully consistent with a wide range of cosmological data as long as information on the matter power spectrum in not taken into account.

研究の動機と目的

• 短基長（SBL）ニュートリノ振動実験と宇宙論的観測の間におけるeVスケールの不活性ニュートリノの整合性を評価すること。
• 質量~1 eVの熱平衡状態の不活性ニュートリノが、変動するダークエネルギー状態方程式（w）と曲率を伴う宇宙論モデルに適合するかどうかを調査すること。
• 特に物質パワースペクトル測定が、不活性ニュートリノ質量の制約に与える影響を特定すること。
• 異なる宇宙論的データセット（例：WMAP9 対 SDSS LRG 銀河パワースペクトル）が、SBL結果と宇宙論の整合性に与える影響を評価すること。
• 3+1モデル（3つの活性ニュートリノ＋1つの不活性ニュートリノ）に不活性ニュートリノを組み込むと、宇宙定数でないダークエネルギー（w < -1）や空間曲率が好まれるかどうかを検討すること。

提案手法

• 本研究では、SBL実験（例：LSND、MiniBooNE、反応炉の異常）のフル尤度関数を用いたベイズ解析フレームワークを採用し、不活性ニュートリノ質量および混合パラメータを制約する。
• 宇宙論的データセットには、WMAP9 CMB、SN Ia、BAO、HST、BBN、およびSDSS LRG銀河パワースペクトルが含まれ、さまざまな組み合わせを用いて整合性をテストする。
• ダークエネルギー状態方程式（w）と空間曲率（Ωk）を自由に変化可能として扱い、標準的なΛCDMモデルを超える拡張を実施する。
• モンテカルロ・マルコフ連鎖（MCMC）サンプリングを用いて、宇宙論的パラメータと不活性ニュートリノ質量の連続パラメータ空間を探索する。
• モデルは完全に熱平衡状態の不活性ニュートリノを仮定し、その相対的エネルギー密度寄与は有効なニュートリノ種数（Neff）で定量化される。
• 異なる不活性ニュートリノ質量（1–10 eV）に対して物質パワースペクトルおよびCMB非等方性パワースペクトルを計算し、全ダークマター密度を一定に保つことで、ホットダークマター効果を独立に分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SBL実験が示唆する~1 eVの不活性ニュートリノは、現在の宇宙論的データと整合的か？
• RQ2 変動するダークエネルギー状態方程式（w）と空間曲率を含めると、不活性ニュートリノ質量の制約にどのような影響を与えるか？
• RQ3 なぜSDSS LRGサンプルの銀河パワースペクトルはSBL結果と矛盾を生じるのか？一方、WMAP9+BAOなどの他のデータセットはそのような矛盾を生じないのか？
• RQ4 物質パワースペクトルデータが、高質量の不活性ニュートリノ（例：~10 eV）をどれほど強く除外するのか、またその影響が事後分布に与える影響は？
• RQ5 物質パワースペクトルの制約を除いた場合、~10 eVスケールの熱平衡状態の不活性ニュートリノは宇宙論と整合的か？

主な発見

• WMAP9+SN1a+BAO+HST+BBNデータを用いた場合、1 eVの不活性ニュートリノは宇宙論的データと整合的であり、宇宙定数モデル（w = -1）は1σ信用区間内にある。
• SDSS LRGサンプルの銀河パワースペクトルはSBLデータと顕著な矛盾を引き起こし、小スケールにおける銀河とダークマターのクラスタリング関係が十分に理解されていない可能性を示唆する。
• SBLの事後分布に~2.5 eV付近に現れるピークは宇宙論的データによって抑制されるが、~1 eV付近の広いピークは残り、これは宇宙論が1 eVの不活性ニュートリノを高質量よりも好むことを示している。
• ~10 eVの熱平衡状態の不活性ニュートリノは、物質パワースペクトルによって除外される。これは、観測と一致しない極端な小スケール構造の抑制を示している。
• BAOデータは、不活性ニュートリノ質量とダークエネルギー状態方程式のデゲネラシーを解消する上で極めて重要であり、w = -1の好ましさを示している。
• 本分析により、CMBデータ単体ではニュートリノ質量に限られた感度しか持たないことが確認された。これは、物質パワースペクトルデータを除いた場合に~12 eV付近に誤ったピークが現れる事実によって裏付けられている。