[論文レビュー] Status of neutrino properties and future prospects - Cosmological and astrophysical constraints

M. Lattanzi, M. Gerbino|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

このレビューは、ニュートリノ質量に関する宇宙論的および天体物理学的制約を統合し、特にCMBと大規模構造からの現在の観測が、CMB単体では95%信頼水準でΣmν < 0.7 eV、BAOデータと組み合わせると< 0.2 eVというきわめて信頼性の高い上限を示していることを示している。今後の調査、例えばCOREとDESI/Euclidは15 meVの感度に達し、通常の質量階層ではニュートリノ質量を4σで検出可能となり、逆質量階層を除外可能となるだろう。

ABSTRACT

Cosmological observations are a powerful probe of neutrino properties, and in particular of their mass. In this review, we first discuss the role of neutrinos in shaping the cosmological evolution at both the background and perturbation level, and describe their effects on cosmological observables such as the cosmic microwave background and the distribution of matter at large scale. We then present the state of the art concerning the constraints on neutrino masses from those observables, and also review the prospects for future experiments. We also briefly discuss the prospects for determining the neutrino hierarchy from cosmology, the complementarity with laboratory experiments, and the constraints on neutrino properties beyond their mass.

研究の動機と目的

• ニュートリノ質量が宇宙構造およびCMBや大規模構造などの宇宙論的観測に与える影響を明らかにすること。
• CMB、BAO、弱引力レンズ、Lyman-αフォレストデータからのニュートリノ質量和Σmνに関する現在の観測的制約を要約すること。
• 今後の宇宙論的調査、CMBステージIVおよび大規模構造調査を含め、ニュートリノ質量の検出可能性を評価すること。
• 宇宙論がニュートリノ質量階層を特定し、ステアリックニュートリノや非標準的相互作用といった標準模型を越えた物理学を解明する可能性を評価すること。
• KATRINや0νββ崩壊探索といった実験室実験と、宇宙論的制約の相補性を検討すること。

提案手法

• 標準宇宙論モデル（ΛCDM）に拡張パラメータを追加し、ニュートリノ質量が宇宙背景の進化および摂動に与える影響をモデル化すること。
• CMBの非均一性およびレンズ歪みを分析し、構造の成長と伝達関数への影響を通じてニュートリノ質量寄与を推定すること。
• 銀河集団、弱引力レンズ、クラスタ数、Lyman-αフォレストのパワースペクトルといった大規模構造プローブを用いてΣmνを制約すること。
• 複数の宇宙論的データセット（Planck、BAO、DESI、Euclid、LSST）を組み合わせ、感度を向上させ、系制度を低減すること。
• 将来のミッション（CORE、CMBステージIV）の感度を予測するため、フィッシャー行列技術を用い、仮のΣmν = 0.06 eVを想定すること。
• 非標準的ニュートリノ物理学を探索するため、有効な相対論的自由度（Neff）およびステアリックニュートリノパラメータ（ms、ΔNeff）の制約を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の宇宙論的制約では、ニュートリノ質量和Σmνはどの程度に制限されており、異なる観測量によってどのように変化するか？
• RQ2 今後のCMBおよび大規模構造調査はニュートリノ質量の検出に対してどの程度感度を示し、どの程度の感度レベルに達できるか？
• RQ3 宇宙論は通常の質量階層と逆質量階層を区別できるか、どのような条件下で可能か？
• RQ4 現在の宇宙論的データから、ステアリックニュートリノおよび追加の相対論的粒子（Neff）に対する制約は何か？
• RQ5 宇宙論的制約は、KATRINや0νββ崩壊探索といった実験室実験とどのように比較され、補完的か？

主な発見

• CMB単体からの現在の宇宙論的データは、95%信頼水準でΣmν < 0.7 eVと制限しており、BAO測定と組み合わせるとさらに厳密にΣmν < 0.2 eVとなる。
• 大規模構造データの組み込みにより、Neffの制約がさらに厳しくなり、68%信頼水準で3.03 ± 0.18と評価され、3σ以上で追加の相対論的粒子が除外される。
• Planckデータはステアリックニュートリノを含まないと一致しており、ms ≃ 1 eVでΔNeff = 1の熱平衡ステアリックニュートリノは99%信頼水準以上で除外されている。
• 今後の調査、例えばCOREとCMBステージIVに加えDESIとEuclidを組み合わせることで、Σmνの感度が15 meVに達し、通常の質量階層が正しい場合に4σの検出が可能となる。
• 通常の質量階層で最も軽いニュートリノが質量ゼロの場合、今後の宇宙論的プローブは逆質量階層のシナリオを高い統計的有意性で除外できる。
• Neffに関する宇宙論的制約は強く、標準模型と整合的であり、現在のところ非標準的ニュートリノ相互作用や追加の軽い粒子の証拠は見つかっていない。