[論文レビュー] Synergistic tests of inflation

Alkistis Pourtsidou|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、将来の21cm強度マッピング、光学的銀河、CMB調査が原始的パワー スペクトルのスペクトル指数 $n_{\rm s}$ やそのランニング $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$ をどの程度制約できるかをフィッシャー予測分析を用いて評価しており、これらの調査を連携して用いることで、単一場スローロールインフレーションモデルの制約が顕著に向上することを示している。特に、SKA や CHIME などの21cm調査は、原始的特徴に対して高い感度を示す。

ABSTRACT

We investigate the possibility of utilising 21cm intensity mapping, optical galaxy, and Cosmic Microwave Background (CMB) surveys to constrain the power spectrum of primordial fluctuations predicted by single-field slow-roll inflation models. Implementing a Fisher forecast analysis, we derive constraints on the spectral tilt parameter $n_{ m s}$ and its first and second runnings $(α_{ m s},β_{ m s})$. We show that 21cm intensity mapping surveys with instruments like the Square Kilometre Array, CHIME, and HIRAX, can be powerful probes of the primordial features. We combine our forecasts with the ones derived for a COrE-like CMB survey, as well as for a Stage IV optical galaxy survey similar to Euclid. The synergies between different surveys can be exploited to rule out a large fraction of the available inflationary models.

研究の動機と目的

• 単一場スローロールインフレーションモデルにおけるスペクトル指数 $n_{\rm s}$ 及びそのランニング $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$ を、21cm強度マッピング調査がどの程度制約できるかを評価すること。
• 21cm強度マッピングとCMBおよび光学的銀河調査を組み合わせた際の連携的制約の可能性を評価すること。
• SKA、CHIME、HIRAX、Euclid などの将来の調査が、CMB単独での制約を超えてインフレーションパラメータの制約をどの程度改善できるかを検討すること。
• 高精度なスペクトルランニング測定を通じて、最小限のスローロールインフレーションからのずれを検出可能かどうかを調査すること。

提案手法

• 将来の調査からの $n_{\rm s}$, $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$ の制約を予測するためにフィッシャー行列予測分析を用いる。
• 原始的パワー スペクトルを $P_{\rm s}(k) = A_{\rm s} (k/k_\star)^{n_{\rm s}-1 + \frac{1}{2}\alpha_{\rm s} \ln(k/k_\star) + \frac{1}{6}\beta_{\rm s} \ln^2(k/k_\star)}$ としてモデル化する。
• COrEに類似たCMB調査、ステージIVの光学的銀河調査（Euclidに類似）および21cm強度マッピング調査（SKA、CHIME、HIRAX）の予測を統合する。
• 大規模構造の予測において、インフレーションパrameter（$A_{\rm s}$, $n_{\rm s}$, $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$）以外の宇宙論的パラメータはCMBで測定された値に固定する。
• 非線形領域のモデル化の困難を避けるために、保守的な非線形スケールカットを適用し、線形領域の予測に焦点を当てる。
• スペクトルの滑らかさと光学的銀河との相互相関を用いた前処理により、フォアグラウンド除去戦略を評価し、系誤差を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKA や CHIME などの21cm強度マッピング調査は、CMBおよび光学的銀河調査と比較して、スペクトル指数およびそのランニングの制約において競争力を持つだろうか？
• RQ2 CMB、21cm強度マッピング、光学的銀河調査を組み合わせた場合、$\alpha_{\rm s}$ および $\beta_{\rm s}$ の制約はどの程度改善されるか？
• RQ3 連携的調査によって、単一場スローロールインフレーションモデルのどの程度の割合を除外できるか？
• RQ4 将来の21cm強度マッピング実験単体で、$\alpha_{\rm s}$ および $\beta_{\rm s}$ の期待される精度はどの程度か？
• RQ5 フォアグラウンド汚染などの系誤差が予測された制約に与える影響は何か？また、それらは軽減可能だろうか？

主な発見

• SKA、CHIME、HIRAX などの21cm強度マッピング調査は、スペクトル指数およびそのランニングの強力な制約を提供し、原始的特徴を調べる強力なプローブとなる。
• COrEに類似したCMB調査とステージIVの光学的銀河調査（Euclidに類似）および21cm強度マッピングを組み合わせることで、$n_{\rm s}$, $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$ の制約が顕著に改善される。
• 複数の調査を連携して用いることで、$\alpha_{\rm s}$ および $\beta_{\rm s}$ の制約が厳しくなるため、単一場スローロールインフレーションモデルの大部分を除外できる。
• 21cm強度マッピングからの $\alpha_{\rm s}$ の予測誤差は他の調査と同等の性能を示し、$\delta\alpha_{\rm s} \sim 0.001$ の精度に達する可能性がある。
• 現在の調査設定では $\beta_{\rm s} \sim 10^{-5}$ の測定は困難であるが、連携的調査により高次のランニングへの感度が向上する。
• 光学的銀河との相互相関とスペクトルの滑らかさを用いたフォアグラウンド除去は、21cm強度マッピングにおける系誤差低減に効果的な戦略である。