[논문 리뷰] Cosmological searches for the neutrino mass scale and mass ordering

Sunny Vagnozzi|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 18.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 학위논문은 대규모 구조(LSS) 데이터를 활용하여 중성미자 질량 합에 대해 0.12 eV의 강력한 상한을 확립함으로써 중성미자 천체물리학을 발전시켰다. 이는 질량을 가진 중성미자가 유도하는 체계적 오차를 극복하기 위해 보정된 스케일에 의존하는 은하 편향 모델을 제안하고, 비환원성 어두운 에너지 모델이 이 상한을 더욱 낮춘다는 것을 보여주었다. 또한 중성미자 파ameters가 인플레이션 파ameters 제약에 미치는 영향이 최소임을 입증하여 초기 우주의 천체물리학에 안정성을 확보하였다.

ABSTRACT

In this thesis, I describe a number of recent important developments in neutrino cosmology on three fronts. Firstly, focusing on Large-Scale Structure (LSS) data, I will show that current cosmological probes contain a wealth of information on the sum of the neutrino masses. I report on the analysis leading to the currently best upper limit on the sum of the neutrino masses of $0.12\,{ m eV}$. I show how cosmological data exhibits a weak preference for the normal neutrino mass ordering because of parameter space volume effects, and propose a simple method to quantify this preference. Secondly, I will discuss how galaxy bias represents a severe limitation towards fully capitalizing on the neutrino information hidden in LSS data. I propose a method for calibrating the scale-dependent galaxy bias using CMB lensing-galaxy cross-correlations. Moreover, in the presence of massive neutrinos, the usual definition of bias becomes inadequate, as it leads to a scale-dependence on large scales which has never been accounted for. I show that failure to define the bias appropriately will be a problem for future LSS surveys, and propose a simple recipe to account for the effect of massive neutrinos on galaxy bias. Finally, I discuss implications of correlations between neutrino parameters and other cosmological parameters. In non-phantom dynamical dark energy models, the upper limit on the sum of the neutrino masses becomes tighter than the $Λ$CDM limit. Therefore, such models exhibit an even stronger preference for the normal ordering, and their viability could be jeopardized should near-future laboratory experiments determine that the mass ordering is inverted. I then discuss correlations between neutrino and inflationary parameters. I find that our determination of inflationary parameters is stable against assumptions about the neutrino sector. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 우주론적 대규모 구조(LSS) 데이터로부터 정밀한 중성미자 질량 제약을 추출하는 데 있어 여전히 은하 편향 체계적 오차로 인해 제한되는 주요 과제를 해결하기 위해.
• 질량을 가진 중성미자가 존재할 경우 표준 은하 편향 정의가 부적절해지며, 이는 큰 스케일에서 임의의 스케일 의존성 효과를 유도한다는 점을 해결하기 위해.
• 파ameter 공간 부피 효과를 고려하여, 우주론적 데이터에서 정상적인 중성미자 질량 순서에 대한 선호도를 정량화하기 위해.
• 비환원성 어두운 에너지 모델에서 중성미자 파ameters와 다른 우주론적 파am터 간의 상관관계가 질량 제약에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 중성미자 부문의 불확실성에 의해 초기 우주의 물리학이 얼마나 오염되지 않는지 보장하기 위해, 인플레이션 파am터 추정의 견고성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 베이지안 파am터 추정을 사용하여 현재 LSS 설문조사의 은하 파워 스펙트럼 데이터를 분석하여, 현재까지 확보된 가장 날카운 상한을 도출한다.
• CMB 렌즈링과 은하 군집 간의 교차상관을 이용한 새로운 스케일 의존성 은하 편향 보정 방법을 제안하여, 우주론적 추론의 정확도를 향상시킨다.
• 질량을 가진 중성미자의 중력적 영향을 고려하여 표준 은하 편향 정의를 재수정함으로써, 대규모 파워 스펙트럼에서 임의의 스케일 의존성이 발생하는 것을 방지한다.
• 미래 설문조사에서의 일관성을 확보하기 위해 질량을 가진 중성미자가 은하 편향에 미치는 영향을 모델링하는 단순한 분석적 방법을 도입한다.
• 비환원성 동적 어두운 에너지 모델(예: 퀘이사스센스)에서의 파am터의 비선형성과 중성미자 질량 합 제약을 표준 ΛCDM 모델과 비교하여 조사한다.
• 피셔 매트릭스 기법과 모델 비교를 사용하여 중성미자 파am터와의 상관관계를 분석함으로써, 인플레이션 파am터 제약의 안정성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 LSS 데이터로부터 도출할 수 있는 중성미자 질량 합에 대한 가장 날카운 상한은 무엇이며, 체계적 오차에 의해 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 질량을 가진 중성미자가 존재할 경우 표준 은하 편향 정의가 어떻게 무너지며, 물리적으로 일관된 대체 정의는 무엇인가?
• RQ3 우주론적 데이터는 정상적인 중성미자 질량 순서에 대해 어느 정도의 선호도를 보이며, 이 선호도는 통계적 부피 효과를 초월해 정량화할 수 있는가?
• RQ4 비환원성 어두운 에너지 모델은 ΛCDM 모델과 비교해 중성미자 질량 합의 상한을 어떻게 변화시키며, 질량 순서에 대한 영향은 무엇인가?
• RQ5 인플레이션 파am터 제약은 중성미자 부문의 불확실성에 얼마나 민감하며, 중성미자 미지수는 초기 우주의 천체물리학에서 중요한 잡음 요소로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• 분석 결과, 현재까지 확보된 가장 낮은 중성미자 질량 합 상한으로 0.12 eV를 도출하였다. 이는 은하 파워 스펙트럼 데이터로부터 유도되었다.
• 우주론적 데이터는 정상적인 중성미자 질량 순서에 대해 약한 그러나 정량화 가능한 선호도를 보이며, 주로 정상 계층에서 더 큰 파ameter 공간 부피 때문이었다.
• 질량을 가진 중성미자가 존재할 경우 은하 편향을 적절히 정의하지 못하면, 특히 향후 고정밀도 LSS 설문조사에서 잘못된 우주론적 파am터 추정이 발생할 수 있다.
• CMB 렌즈링-은하 교차상관을 이용한 스케일 의존성 은하 편향 보정 방법이 중성미자 질량 제약의 신뢰성을 크게 향상시켰다.
• 비환원성 어두운 에너지 모델에서는 ΛCDM 모델보다 중성미자 질량 합의 상한이 더욱 낮아지며, 이는 정상 질량 순서에 대한 선호도를 더욱 강화시켰다.
• 중성미자 파am터는 인플레이션 파am터와 최소한의 상관관계를 보이며, 중성미자 부문의 불확실성이 인플레이션 모델 제약의 정밀도에 크게 영향을 주지 않는다는 것을 시사한다.