[論文レビュー] Updated results on neutrino mass and mass hierarchy from cosmology

Shouvik Roy Choudhury, Steen Hannestad|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ベイズ的枠組み内でPlanck 2018 CMBおよびBAOデータを用いて、ニュートリノ質量和（$\sum m_\nu$）の宇宙論的制約を更新し、95%信用区間で、デゲネレート型では$\sum m_\nu < 0.12$ eV、ノーマル型では$< 0.15$ eV、逆型では$< 0.17$ eVの結果を得た。$\chi^2$およびベイズ的証拠に基づき、ノーマル型のほうが逆型よりもわずかに好まれるが、拡張モデルでは明確な好みは示されない。

ABSTRACT

In this work we update the bounds on $\sum m_{ u}$ from latest publicly available cosmological data and likelihoods using Bayesian analysis, while explicitly considering particular neutrino mass hierarchies. In the minimal $\Lambda extrm{CDM}+\sum m_{ u}$ model with most recent CMB data from Planck 2018 TT,TE,EE, lowE, and lensing; and BAO data from BOSS DR12, MGS, and 6dFGS, we find that at 95\% C.L. the bounds are: $\sum m_{ u}<0.12$ eV (degenerate), $\sum m_{ u}<0.15$ eV (normal), $\sum m_{ u}<0.17$ eV (inverted). The bounds vary across the different mass orderings due to different priors on $\sum m_{ u}$. Also, we find that the normal hierarchy is very mildly preferred relative to the inverted, using both minimum $\chi^2$ values and Bayesian Evidence ratios. In this paper we also provide bounds on $\sum m_{ u}$ considering different hierarchies in various extended cosmological models: $\Lambda extrm{CDM}+\sum m_{ u}+r$, $w extrm{CDM}+\sum m_{ u}$, $w_0 w_a extrm{CDM}+\sum m_{ u}$, $w_0 w_a extrm{CDM}+\sum m_{ u}$ with $w(z)\geq -1$, $\Lambda extrm{CDM} + \sum m_{ u} + \Omega_k$, and $\Lambda extrm{CDM} + \sum m_{ u} + A_{ extrm{Lens}}$. We do not find any strong evidence of normal hierarchy over inverted hierarchy in the extended models either.

研究の動機と目的

• 最新の宇宙論的データセットおよび尤度関数を用いて、ニュートリノ質量和（$\sum m_\nu$）の制約を精緻化すること。
• ベイズ解析を用いて、ニュートリノ質量ヘテロジニア（デゲネレート型、ノーマル型、逆型）が$\sum m_\nu$の制約に与える影響を評価すること。
• 両方の$\chi^2$とベイズ的証拠比を用いて、ノーマル型と逆型の相対的好みを評価すること。
• $\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$+$r$、$w$CDM、$w_0w_a$CDM、および曲率やレンズ効果係数を含むモデルを含む、複数の宇宙論的モデルへの分析を拡張すること。

提案手法

• CMBパワースペクトルのためのPlanck 2018 TT, TE, EE, lowEおよびレンズ効果尤度関数を用いたベイズ的パラメータ推定。
• 宇宙距離レールを制約するため、BOSS DR12、MGS、6dFGSからのBAOデータを統合。
• $\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$フレームワーク内に、ニュートリノ質量の3つのヘテロジニア（デゲネレート型、ノーマル型、逆型）を明示的にモデル化。
• ノーマル型と逆型ヘテロジニアのシナリオを比較するためのベイズ的証拠比と$\chi^2$値の計算。
• 曲率やレンズ効果係数を含む6つの拡張宇宙論モデルへの分析の拡張、$w_0w_a$CDMや$\Lambda$CDMを含む。
• パラメータ空間の探索と$\sum m_\nu$の事後分布の導出のため、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングの使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Planck 2018およびBAOデータを用いた場合、各ニュートリノ質量ヘテロジニアにおける$\sum m_\nu$の95%信用区間の上限は何か？
• RQ2 最小の$\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$モデルにおいて、ノーマル型が逆型よりも統計的に有意に好まれるか？
• RQ3 ダークエネルギーのダイナミクスや曲率を含む、さまざまな拡張宇宙論モデルにおいて、$\sum m_\nu$の制約はどのように変化するか？
• RQ4 追加の宇宙論的パラメータを含めると、ノーマル型対逆型の好みに変化は生じるか？
• RQ5 複数のデータセットと尤度関数を考慮した場合、ヘテロジニアの好みは頑健か？

主な発見

• 95%信用区間において、デゲネレート型質量ヘテロジニアの$\sum m_\nu$の上限は$< 0.12$ eVである。
• ノーマル型では、95%上限が$< 0.15$ eVである。
• 逆型では、95%上限が$< 0.17$ eVである。
• 両方の$\chi^2$値とベイズ的証拠比に基づき、ノーマル型が逆型よりもわずかに好まれる。
• テストされたどの拡張宇宙論モデルにおいても、ノーマル型対して強い証拠は得られなかった。
• ベイズ解析における異なる事前分布の影響により、質量ヘテロジニアごとに$\sum m_\nu$の制約に顕著な差が生じた。