[論文レビュー] Neutrino mass constraint with SDSS LRG power spectrum and perturbation theory

Shun Saito, Masahiro Takada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、平坦なCDMモデルにおけるニュートリノ質量を制約するために、SDSS LRGパワースペクトル（k=0.1 h/Mpcまで）と摂動理論を組み合わせ、非線形クラスタリングおよびスケール依存性バイアスを考慮した。非線形系制度を最小限に抑えるための慎重なスケール選択により、全ニュートリノ質量の上限を m_nu,tot < 0.81 eV（95%信頼水準）まで改善した。これはWMAP5単独の結果に比べ1.85倍の改善である。

ABSTRACT

We compare the model power spectrum, computed based on perturbation theory (PT) with the power spectrum of luminous red galaxies (LRG) measured from the SDSSDR7 catalog, assuming a flat, CDM-dominated cosmology. The model includes the effects of massive neutrinos, nonlinear matter clustering and nonlinear, scale-dependent galaxy bias in a self-consistent manner. We first test the accuracy of PT-model by comparing the model predictions with the halo power spectrum in real- and redshift-space measured from simulations without massive neutrinos. We show that the PT-model with bias parameters being properly adjusted can fairly well reproduce the simulation results. As a result the best-fit parameters obtained from the hypothetical parameter fitting recover, within statistical uncertainties, the input cosmological parameters in simulations, including an upper bound on neutrino mass, if the power spectrum information up to k~0.15h/Mpc is used. However, for the redshift-space power spectrum, the best-fit cosmological parameters show a sizable bias from the input values if using the information up to k~0.2h/Mpc, probably due to nonlinear redshift distortion effect. Given these tests, we decided, as a conservative choice, to use the LRG power spectrum up to k=0.1h/Mpc in order to minimize possible unknown nonlinearity effects. In combination with the recent results from Wilkinson Microwave Background Anisotropy Probe (WMAP), we derive a robust upper-bound on the sum of neutrino masses, given as m_nu,tot < 0.81eV (95% C.L.), marginalized over other parameters including nonlinear bias parameters and dark energy equation of state parameter. The neutrino mass limit is improved by a factor of 1.85 compared to the limit from the WMAP5 alone, m_nu,tot < 1.5eV.

研究の動機と目的

• SDSS LRGカタログの大型構造データを用いて、ニュートリノ質量の和に対する頑健な上限を導出すること。
• マスを持つニュートリノが存在する状況下でも、非線形物質クラスタリングおよび銀河バイアスをモデル化する摂動理論の正確さを評価すること。
• 非線形赤方偏移空間歪みからの系統的バイアスを最小限に抑えるために、0.1 h/Mpcの保守的なk-maxスケールを選択すること。
• LRGパワースペクトルデータとWMAP結果を組み合わせ、ニュートリノ質量および宇宙論的パラメータの制約を厳密にすること。
• 非線形バイアスおよびダークエネルギー状態方程式を周辺化することで、ニュートリノ質量の上限の頑健性を保証すること。

提案手法

• マスを持つニュートリノおよび非線形物質クラスタリングの効果を含む標準摂動理論（PT）を用いてモデルパワースペクトルを構築する。
• マスを持つニュートリノを含まないN体シミュレーションのハロパワー スペクトルを用いて、モデルの正確さを実空間および赤方偏移空間で検証する。
• シミュレーション結果に一致するようにPTモデルのバイアスパラメータを調整し、観測された銀河クラスタリングと整合性を保つ。
• 校正済みのPTモデルをDR7カタログから測定されたSDSS LRGパワー スペクトルに適用し、非線形系制度を低減するためk ≤ 0.1 h/Mpcに分析を制限する。
• LRGパワー スペクトルデータとWMAP7年分の宇宙マイクロ波背景不均一性データを組み合わせ、宇宙論的パラメータを制約する。
• ニュートリノ質量、非線形バイアス、ダークエネルギー状態方程式の周辺化を含む尤度解析を実施し、頑健な上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適切なバイアス補正を施した摂動理論は、マスを持つニュートリノが存在する状況下でも、明るい赤銀河の非線形クラスタリングを正確にモデル化できるか？
• RQ2 パワー スペクトルの高kモードを用いる場合、非線形赤方偏移空間歪みが宇宙論的パrameterの回復にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ3 SDSS LRGデータとWMAP結果を組み合わせることで、達成可能な全ニュートリノ質量の最もきつい頑健な上限は何か？
• RQ4 k-maxスケールの選択がニュートリノ質量制約の精度と信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 非線形バイアスおよびダークエネルギー状態方程式を周辺化することは、ニュートリノ質量上限に顕著な影響を及えるか？

主な発見

• 校正済みバイアスパラメータを備えた摂動理論モデルは、実空間および赤方偏移空間の両方で、シミュレーションからのハロパワー スペクトルを正確に再現する。
• k ≤ 0.1 h/Mpcを用いる場合、モデルからの最良適合宇宙論的パラメータは、シミュレーションの入力値を統計的不確実性の範囲内で回復する。
• 赤方偏移空間パワー スペクトルに対してk ≤ 0.2 h/Mpcを用いると、非線形赤方偏移歪みがモデル化されていないため、回復されたパラメータに顕著なバイアスが生じる。
• k = 0.1 h/Mpcという保守的な選択により、未知の非線形効果が最小限に抑えられ、宇宙論的制約の頑健性が保証される。
• SDSS LRGとWMAPデータの統合解析により、全ニュートリノ質量の95%信用区間上限が m_nu,tot < 0.81 eV に達した。
• この上限は、WMAP5単独の制約 m_nu,tot < 1.5 eV に比べ1.85倍の改善であり、大型構造データの追加によるパワーを示している。