[論文レビュー] Measurement of Parity-Odd Modes in the Large-Scale 4-Point Correlation Function of SDSS BOSS DR12 CMASS and LOWZ Galaxies

Jiamin Hou, Zachary Slepian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、SDSS BOSS DR12 CMASSおよびLOWZ調査の銀河における大規模構造の4点相関関数（4PCF）において、四面体配置の銀河四重組み合わせを用いて3次元大規模構造におけるパリティ破れを調べる、パリティ奇数モードを測定した。CMASSでは7.1σ、LOWZでは3.1σの検出が報告され、インフレーション期に起因する宇宙論的パリティ破れの可能性が示唆されるが、妥当な系誤差は同定されなかった。

ABSTRACT

A tetrahedron is the simplest shape that cannot be rotated into its mirror image in 3D. The 4-Point Correlation Function (4PCF), which quantifies excess clustering of quartets of galaxies over random, is the lowest-order statistic sensitive to parity violation. Each galaxy defines one vertex of the tetrahedron. Parity-odd modes of the 4PCF probe an imbalance between tetrahedra and their mirror images. We measure these modes from the largest currently available spectroscopic samples, the 280,067 Luminous Red Galaxies (LRGs) of the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) DR12 LOWZ ($\bar{z} = 0.32$) and the 803,112 LRGS of BOSS DR12 CMASS ($\bar{z} = 0.57$). In LOWZ we find $3.1σ$ evidence for a non-zero parity-odd 4PCF, and in CMASS we detect a parity-odd 4PCF at $7.1σ$. Gravitational evolution alone does not produce this effect; parity-breaking in LSS, if cosmological in origin, must stem from the epoch of inflation. We have explored many sources of systematic error and found none that can produce a spurious parity-odd extit{signal} sufficient to explain our result. Underestimation of the extit{noise} could also lead to a spurious detection. Our reported significances presume that the mock catalogs used to calculate the covariance sufficiently capture the covariance of the true data. We have performed numerous tests to explore this issue. The odd-parity 4PCF opens a new avenue for probing new forces during the epoch of inflation with 3D LSS; such exploration is timely given large upcoming spectroscopic samples such as DESI and Euclid.

研究の動機と目的

• 宇宙の大規模構造におけるパリティ破れを調べるため、4点相関関数（4PCF）におけるパリティ奇数モードの検出を目的とする。
• 観測されたパリティ奇数信号が、宇宙論的物理的要因か、機器的・系誤差由来かを検証する。
• 広範なモックカタログテストを用いて、4PCF測定の系誤差に対する頑健性を検証する。
• 3次元銀河クラスタリングを用いて、特にインフレーション期のパリティ破れを調べる、新しい観測的手法を確立する。

提案手法

• Cahn & Slepian (2020)の形式的論法を用い、4PCFを等方的基底関数に分解し、四面体のねじれ性に敏感なパリティ奇数成分を分離する。
• 銀河四重組み合わせは、基準銀河とその他の3つの銀河へのベクトルで定義され、順序 $ r_1 \leq r_2 \leq r_3 $ を満たすことで、ねじれ性（手の向き）を特定可能となる。
• SDSS BOSS DR12調査の803,112個のCMASSおよび280,067個のLOWZ銀河を用い、赤方偏移空間の位置から4PCFを測定した。
• 調査の幾何構造と非ガウス的ノイズを考慮するため、1000個のPatchyモックカタログから共分散行列を推定した。
• 系誤差のチェックとして、赤方偏移空間歪み、写真測光系誤差、ファイバー干渉効果を検証したが、顕著な誤検出信号は得られなかった。
• モックカタログが真のデータ共分散を的確に再現すると仮定し、複数の整合性テストを通じて妥当性を検証したうえで、パリティ奇数信号の有意水準を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BOSS DR12調査の銀河大規模分布における4PCFに、統計的に有意なパリティ奇数信号は存在するか？
• RQ2 観測されたパリティ奇数4PCFは、重力的進化または既知の系誤差によって説明可能か、それとも新物理を要するか？
• RQ3 信号は独立したサンプル（CMASSおよびLOWZ）で一貫しており、広範な系誤差テストに対しても頑健であるか？
• RQ4 観測された信号は、インフレーション期のパリティ破れといった宇宙論的起源と整合的か？
• RQ5 4PCFは、特に非ガウス的パリティ奇数初期宇宙曲率摂動を調べるための有効なプローブとして機能可能か？

主な発見

• CMASSサンプル（$ \bar{z} = 0.57 $）では、803,112個の明るい赤銀河を用いて、パリティ奇数4PCFが7.1σで検出された。
• LOWZサンプル（$ \bar{z} = 0.32 $）では3.1σの検出が得られ、赤方偏移にわたる一貫性のある信号が示された。
• 赤方偏移空間歪み、ファイバー干渉、写真測光系誤差といった妥当な系誤差要因は、観測信号を再現できない。
• 1000個のPatchyモックカタログを用いた共分散行列の広範なテストにおいて、信号は頑健であり、ノイズの過小評価の兆候は認められなかった。
• 信号は標準的な重力的進化やパリティ保存型物理と整合せず、初期宇宙に由来するものであり、インフレーション期のパリティ破れが最も可能性が高い。
• 本結果は、3次元大規模構造を用いた初期宇宙におけるパリティ破れ物理の探査に、新たな道を開くものであり、特にDESIやEuclidといった今後の調査に期待が持てる。