[論文レビュー] Weighing Neutrinos: Weak Lensing Approach

Asantha Cooray|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、質量を持つニュートリノの自由飛行による小スケールでの物質パワースペクトルの抑制を検出することにより、弱い重力レンズ効果の調査を用いてニュートリノ質量を直接測定する手法を提案する。100 deg²の調査では、約3.5 eVのニュートリノ質量が2σレベルで検出可能であり、全天空（πステラジアン）の調査とPLANCKレベルの宇宙論的パラメータの精度を組み合わせると、0.4 eVまで向上する。これは、素粒子物理学実験が質量差しか測定しないのに対し、直接的な質量測定が可能な点で、粒子物理学実験の限界を超えるものである。

ABSTRACT

We study the possibility for a measurement of neutrino mass using weak gravitational lensing. The presence of non-zero mass neutrinos leads to a suppression of power at small scales and reduces the expected weak lensing signal. The measurement of such a suppression in the weak lensing power spectrum allows a direct measurement of the neutrino mass, in contrast to various other experiments which only allow mass splittings between two neutrino species. Making reasonable assumptions on the accuracy of cosmological parameters, we suggest that a weak lensing survey of 100 sqr. degrees can be easily used to detect neutrinos down to a mass limit of 3.5 eV at the 2 sigma level. This limit is lower than current limits on neutrino mass, such as from the Ly-alpha forest and SN1987A. An ultimate weak lensing survey of pi steradians down to a magnitude limit of 25 can be used to detect neutrinos down to a mass limit of 0.4 eV at the 2 sigma level, provided that other cosmological parameters will be known to an accuracy expected from cosmic microwave background spectrum using the MAP satellite. With improved parameters estimated from the PLANCK satellite, the limit on neutrino mass from weak lensing can be further lowered by another factor of 3 to 4. For much smaller surveys (10 sqr. degrees) that are likely to be first available in the near future with several wide-field cameras, the presence of neutrinos can be safely ignored when deriving conventional cosmological parameters such as the mass density of the Universe. However, armed with cosmological parameter estimates with other techniques, even such small area surveys allow a strong possibility to investigate the presence of non-zero mass neutrinos.

研究の動機と目的

• 弱い重力レンズ効果が、質量を持つニュートリノによる小スケールパワーの抑制に敏感であることに基づき、絶対的ニュートリノ質量の測定可能性を検討すること。
• LyαフォレストやSN1987Aなどの他の宇宙論的プローブと比較して、弱いレンズ効果によるニュートリノ質量への感受性を評価すること。
• 現実的な宇宙論的パラメータの不確実性を考慮した上で、電子ボルト未満の質量まで検出可能な調査領域と深度を特定すること。
• 外部の宇宙論的パラメータ推定（例：約10 deg²）を組み合わせることで、小面積調査がニュートリノ質量検出にどの程度貢献できるかを評価すること。
• 弱いレンズ効果が、素粒子物理学実験がニュートリノ種間の質量差しか測定しないのに対し、絶対的ニュートリノ質量を直接測定できることを示すこと。

提案手法

• 質量を持つニュートリノの自由飛行による物質パワースペクトルの抑制を、MDM（混合ダークマター）伝達関数を用いてモデル化する。
• 背景源の赤方偏移分布と畳み込みることで、弱いレンズ効果パワースペクトルをシミュレートする。
• フィッシャー行列解析を用いて、Ωm、h、σ8などの宇宙論的パラメータの不確実性を考慮したニュートリノ質量測定の誤差を推定する。
• 異なる調査領域と深度（明るさ限界）におけるレンズ効果パワースペクトルにおけるニュートリノ質量信号の2σ有意水準を計算することで、検出限界を評価する。
• CMB実験（MAPおよびPLANCK）からの外部制約を組み込み、デグレダシーを低減し、ニュートリノ質量への感受性を向上させる。
• 保守的および楽観的な誤差仮定を比較することで、将来の弱いレンズ効果調査の感受性の範囲を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い重力レンズ効果の調査は、質量を持つニュートリノによる小スケールパワーの抑制を検出し、ニュートリノ質量の直接測定を可能にするか？
• RQ2 明るさ限界25までの100 deg²の弱いレンズ効果調査では、2σレベルでどのくらいの最小ニュートリノ質量を検出可能か？
• RQ3 MAPおよびPLANCKからのCMB事前情報の組み込みは、弱いレンズ効果調査のニュートリノ質量感受性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 宇宙論的パラメータが他の手法で制約されている場合、小面積調査（約10 deg²）がニュートリノ質量検出にどの程度貢献できるか？
• RQ5 小規模な調査で質量を持つニュートリノが無視された場合、宇宙論的パラメータ推定（例：Ωm）にどのようなバイアスが生じるか？

主な発見

• 明るさ限界25までの100 deg²の弱いレンズ効果調査では、2σ信頼水準で約3.5 eVのニュートリノ質量を検出可能である。
• 全天空（πステラジアン）の調査で明るさ限界25の深度を持つ場合、宇宙論的パラメータがPLANCKレベルの精度で既知であると仮定すれば、2σレベルで約0.4 eVまでのニュートリノ質量を検出可能である。
• PLANCKによる宇宙論的パラメータの制約が向上することで、弱いレンズ効果によるニュートリノ質量検出限界は、MAPレベルの制約と比較して3〜4倍改善される。
• 約10 deg²の調査では、ニュートリノ質量が5 eV未満であれば、Ωmなどの宇宙論的パラメータ推定において無視可能であり、バイアスは15%未満にとどまる。
• 外部のプローブ（CMBや赤方偏移測定による銀河調査など）から宇宙論的パラメータを独立して推定できる場合、小規模な調査でもニュートリノ質量に対する強い制約が得られる。
• 弱いレンズ効果は、素粒子物理学実験がニュートリノ種間の質量差しか測定しないのに対し、絶対的ニュートリノ質量を直接測定可能である。