[论文解读] A Test for Cosmological Parity Violation Using the 3D Distribution of Galaxies

R. N. Cahn, Zachary Slepian+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出了一种利用三维星系四阶相关函数（4PCF）检测宇宙学宇称破坏的新测试方法，利用了三维四面体构型无法与其镜像重合的特性，使其对宇称破坏性物理敏感。该方法采用一组各向同性函数基，使4PCF的计算变得可行，并表明此类信号将指示原初非高斯性以及超出标准模型的新物理。

ABSTRACT

We show that the galaxy 4-Point Correlation Function (4PCF) can test for cosmological parity violation. The detection of cosmological parity violation would reflect previously unknown forces present at the earliest moments of the Universe. Recent developments both in rapidly evaluating galaxy $N$-Point Correlation Functions (NPCFs) and in determining the corresponding covariance matrices make the search for parity violation in the 4PCF possible in current and upcoming surveys such as those undertaken by Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), the $Euclid$ satellite, and the Vera C. Rubin Observatory (VRO).

研究动机与目标

• 开发一种基于星系三维分布的无模型宇称破坏检验方法。
• 在大尺度结构中探测可能指示早期宇宙新基本力的宇称破坏信号。
• 为即将开展的巡天项目（如DESI、Euclid和Vera C. Rubin天文台）提供4PCF的稳健分析能力。
• 解决测量4PCF及其协方差矩阵过程中的计算与系统性挑战。
• 为更高阶相关函数（超越4PCF）中的宇称破坏检验提供一个框架。

提出的方法

• 利用由三个径向区间和三个角度指标参数化的各向同性函数基，将4PCF分解为宇称守恒与宇称破坏分量。
• 该方法依赖于三维空间中四面体及其镜像无法重合的几何特性，使4PCF对宇称破坏敏感。
• 从高斯随机场假设出发，推导出协方差矩阵模板，并通过模拟星表进行校准，以确保数值稳定性与半正定性。
• 通过使用随机星表和从数据中推断的红移依赖选择函数，考虑了巡天几何的影响，以避免虚假的宇称破坏信号。
• 承认光谱巡天（如DESI）中光纤定位器限制带来的系统性效应，认为未来需发展校正方法以处理4PCF的影响。
• 该方法可借助先前工作的代数结构，推广至五阶及更高阶相关函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维星系四阶相关函数能否在大尺度结构中检测到宇宙学宇称破坏？
• RQ2 在当前及未来巡天中，测量4PCF的宇称破坏分量在计算上是否可行？
• RQ3 如何可靠地估计4PCF的协方差矩阵，以区分信号与噪声？
• RQ4 光谱巡天中的哪些系统性效应可能模拟或掩盖4PCF中的宇称破坏信号？
• RQ5 4PCF能否作为原初非高斯性及标准模型之外新物理的探测工具？

主要发现

• 由于三维空间中四面体构型具有手性且无法与镜像重合，4PCF对宇称破坏敏感。
• 4PCF中的宇称破坏信号将指示原初非高斯性，因为纯高斯随机场仅产生宇称守恒的4PCF分量。
• 该方法采用由三个径向区间和三个角度指标标记的各向同性函数基，使4PCF的计算分析成为可能。
• 基于高斯假设推导出的解析协方差矩阵模板提供了一个稳定且可逆的基础，可通过模拟星表进行校准。
• 当前及未来巡天（如DESI、Euclid和Vera C. Rubin天文台）预计将提供足够数据，以对宇称破坏进行严格检验。
• 该框架可借助已建立的代数结构推广至更高阶相关函数（如5PCF）。