[논문 리뷰] Updated results on neutrino mass and mass hierarchy from cosmology

Shouvik Roy Choudhury, Steen Hannestad|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 29.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 베이지안 프레임워크 내에서 플랑크 2018 CMB 및 BAO 데이터를 사용하여 중성미온 질량 합($\sum m_\nu$)에 대한 우주론적 제약을 업데이트한다. 결과적으로 95% 신뢰수준에서 비편경성일 경우 $\sum m_\nu < 0.12$ eV, 정상계열일 경우 $< 0.15$ eV, 반전계열일 경우 $< 0.17$ eV임을 발견하였다. $\chi^2$ 및 베이지안 증거를 통한 분석에서 정상계열이 반전계열보다 약간 유리하게 평가되었으며, 확장된 모델에서는 강한 선호도가 없었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최신 우주론적 데이터셋과 우도를 사용하여 중성미온 질량 합($\sum m_\nu$)에 대한 제약을 정밀화하기.
• 베이지안 분석을 통해 중성미온 질량 계열(비편경성, 정상계열, 반전계열)이 $\sum m_\nu$ 제약에 미치는 영향을 평가하기.
• $\chi^2$ 및 베이지안 증거 비율을 사용하여 정상계열과 반전계열 간의 상대적 선호도를 평가하기.
• $\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$+$r$, $w$CDM, $w_0w_a$CDM 및 곡률 또는 렌즈 강도를 포함한 모델을 포함한 여러 우주론적 모델로 분석를 확장하기.

제안 방법

• CMB 스펙트럼의 파wer 스펙트럼에 대해 플랑크 2018 TT, TE, EE, lowE 및 렌즈 우도를 사용한 베이지안 매개변수 추정.
• 우주의 거리 체계를 제약하기 위해 BOSS DR12, MGS 및 6dFGS의 BAO 데이터를 통합.
• $\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$ 프레임워크 내에서 비편경성, 정상계열, 반전계열의 세 가지 중성미온 질량 계열을 명시적으로 모델링.
• 정상계열과 반전계열 시나리오를 비교하기 위해 베이지안 증거 비율과 $\chi^2$ 값을 계산.
• $w_0w_a$CDM 및 곡률 또는 렌즈 강도를 포함한 $\Lambda$CDM를 포함한 여섯 가지 확장된 우주론적 모델로 분석를 확장.
• 매개변수 공간을 탐색하고 $\sum m_\nu$의 사후 분포를 유도하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플랑크 2018 및 BAO 데이터를 사용하여 각 중성미온 질량 계열에 대해 $\sum m_\nu$의 95% 신뢰수준 상한선은 무엇인가?
• RQ2 최소한의 $\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$ 모델에서 정상계열이 반전계열보다 통계적으로 유의미하게 선호되는가?
• RQ3 어떤 우주론적 모델에서든 암흑 에너지의 역학성이나 곡률이 포함된 경우, $\sum m_\nu$의 제약는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 추가적인 우주론적 매개변수를 포함할 경우, 정상계열과 반전계열 간의 선호도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다양한 데이터셋과 우도를 고려할 때 계열 선호도의 강인성은 어떠한가?

주요 결과

• 95% 사후 신뢰수준에서 비편경성 질량 계열의 $\sum m_\nu$ 상한선은 $< 0.12$ eV이다.
• 정상계열의 경우 95% 상한선은 $< 0.15$ eV이다.
• 반전계열의 경우 95% 상한선은 $< 0.17$ eV이다.
• $\chi^2$ 값과 베이지안 증거 비율을 바탕으로 정상계열이 반전계열보다 약간 유리하게 평가된다.
• 시험한 모든 확장된 우주론적 모델에서 정상계열에 대한 강력한 증거는 발견되지 않았다.
• 베이지안 분석에서의 다른 사전분포로 인해 질량 계열 간에 $\sum m_\nu$의 제약가 의미 있는 차이를 보였다.