[论文解读] Neutrino Mass from Cosmology: Probing Physics Beyond the Standard Model

Cora Dvorkin, M. Gerbino+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 52被引用 36

一句话总结

这个 Astro2020 白皮书主张，通过利用结构增长和 CMB 透镜效应的多种探针，结合下一代宇宙学调查，将能够检测中微子质量之和并揭示超标准模型物理。

ABSTRACT

Recent advances in cosmic observations have brought us to the verge of discovery of the absolute scale of neutrino masses. Nonzero neutrino masses are known evidence of new physics beyond the Standard Model. Our understanding of the clustering of matter in the presence of massive neutrinos has significantly improved over the past decade, yielding cosmological constraints that are tighter than any laboratory experiment, and which will improve significantly over the next decade, resulting in a guaranteed detection of the absolute neutrino mass scale.

研究动机与目标

• 将测量绝对中微子质量尺度的重要性作为超越标准模型物理证据的动机。
• 综述 massive neutrinos 如何影响宇宙结构增长并识别对 Sigma m_nu 敏感的宇宙学探针。
• 评估前景噪声/前景（前景）和理论不确定性（例如 tau、暗能量）对宇宙学中中微子质量测量的限制。
• 强调宇宙学与实验室中微子实验之间的协同作用，以测试 BSM 场景。

提出的方法

• 描述中微子自由流动行为及其对 k_fs 及更小尺度物质扰动的影响。
• 概述约束 Sigma m_nu 的宇宙学探针（CMB透镜、星系聚类、光学弱透镜、星系-透 lens 互相关、tSZ 与 kSZ 星系计数、Lyman-α 森林、宇宙空洞）
• 提出对光学深 tau 的先验与暗能量方程状态 w 在打破参数简并中的作用。
• 主张将CMB与LSS可观测量结合分析，以实现对中微子质量的鲁棒探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子质量之和 Sigma m_nu 如何在不同尺度和时期的宇宙结构增长中留下印记？
• RQ2 对下一代 CMB 和 LSS 调查，Sigma m_nu 的预期灵敏度及需要克服的主导简并（例如与 tau 和 w）是什么？
• RQ3 哪些宇宙探针组合最能打破简并并提供对 Sigma m_nu 的鲁棒检测？
• RQ4 如何将宇宙学结果与实验室中微子实验（β衰变、0νββ、振荡实验）协同，以测试 BSM 物理？
• RQ5 探针之间的张力对指示超越标准模型的新物理的潜力是什么？

主要发现

• 目前，宇宙学在中微子质量之和方面提供最严格的界限，并且准备在下一代调查中实现有保证的检测。
• 大量中微子抑制小尺度聚簇并改变透镜信号，使多种探针能够约束 Sigma m_nu。
• 打破 tau 与 w 的简并至关重要；改进对 tau 的测量（如大角度 CMB E 模、21-cm、kSZ）可以提高灵敏度。
• CMB 与 LSS 可观测量的联合分析可能达到约14 meV 的 Sigma m_nu 灵敏度，使最小质量情形接近4σ的检测。
• 诸如星系–透镜互相关与通过 tSZ/kSZ 的高红移星系计数等交叉探针可以帮助标定质量并减少系统误差。
• 宇宙学与实验室实验提供互补信息；跨方法的一致检测将强化结果，而张力可能暗示 BSM 物理。