[论文解读] Constraining primordial non-Gaussianity from the large scale structure two-point and three-point correlation functions

Zackary Brown, R. Demina+48 more|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|Mar 27, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新方法，利用大尺度结构 tracer（如 DESI 巡测中的明亮红巨星 LRGs）在配置空间的两两相关函数（2pcf）和三点相关函数（3pcf）来约束原初非高斯性（fNL）。通过在模拟的暗物质晕上建模局部 fNL 引入的尺度依赖性偏置，并将其缩放至观测到的 tracer，作者展示了使用一年 DESI 数据时，精度可达 σfNL ≈ 22，为傅里叶空间功率谱与双谱分析提供了一种具有竞争力的替代方案。

ABSTRACT

Surveys of cosmological large-scale structure (LSS) are sensitive to the presence of local primordial non-Gaussianity (PNG), and may be used to constrain models of inflation. Local PNG, characterized by fNL, the amplitude of the quadratic correction to the potential of a Gaussian random field, is traditionally measured from LSS two-point and three-point clustering via the power spectrum and bi-spectrum. We propose a framework to measure fNL using the configuration space two-point correlation function (2pcf) monopole and three-point correlation function (3pcf) monopole of survey tracers. Our model estimates the effect of the scale-dependent bias induced by the presence of PNG on the 2pcf and 3pcf from the clustering of simulated dark matter halos. We describe how this effect may be scaled to an arbitrary tracer of the cosmological matter density. The 2pcf and 3pcf of this tracer are measured to constrain the value of fNL. Using simulations of luminous red galaxies observed by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), we demonstrate the accuracy and constraining power of our model, and forecast the ability to constrainfNL to a precision of sigma(fNL) = 22 with one year of DESI survey data.

研究动机与目标

• 开发一种稳健的框架，利用配置空间相关函数而非傅里叶空间功率谱与双谱来测量局部原初非高斯性（PNG）。
• 在明亮红巨星（LRGs）等大尺度结构 tracer 的背景下，建模 fNL 在大尺度结构聚类中引起的尺度依赖性偏置。
• 利用 FastPM-L3 晕模拟并预测 DESI 巡测的约束，证明该方法的可行性与精度。
• 通过在基准模拟上校准模型并考虑观测系统误差，使该方法可应用于其他宇宙学 tracer 及未来巡测（如 Euclid）。
• 通过组合 2pcf 和 3pcf 单极矩，提升对 PNG 的敏感性，使约束超越单一统计量方法。

提出的方法

• 该方法使用 FastPM-L3 模拟，对暗物质晕聚类中的局部 PNG 引起的尺度依赖性偏置进行建模，捕捉 fNL 对 2pcf 和 3pcf 单极矩的影响。
• 通过一个控制偏置响应幅度的参数 p，将模拟晕聚类响应缩放至任意物质 tracer（例如 LRGs）。
• 从模拟的 tracer 目录中测量 2pcf 和 3pcf 单极矩，以估计 fNL 信号，协方差矩阵由集合模拟推导得出。
• 通过玩具模型数据和高保真 EZ mocks 对该方法进行验证，确认其在 fNL 估计中具有鲁棒性与一致性。
• 通过引入额外参数和权重，对成像、完整性、红移失败和光纤分配等观测系统误差进行建模，最终在似然函数中进行边际化处理。
• 该方法具有通用性：只要有基准模拟和已知的偏置响应，即可应用于任何 tracer，包括 DESI 和未来 Euclid 探测的数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 配置空间的 2pcf 和 3pcf 单极矩是否能比传统傅里叶空间方法更有效地联合约束 fNL？
• RQ2 局部原初非高斯性如何在 LRG 等大尺度结构 tracer 的聚集中引起尺度依赖性偏置？
• RQ3 在结合 2pcf 和 3pcf 信号时，使用一年 DESI 巡测数据，fNL 的预期精度是多少？
• RQ4 如何有效建模并边际化影响 fNL 估计的观测系统误差（如巡测完整性与红移失败）？
• RQ5 在仅使用一个参数 p 的情况下，暗物质晕的偏置响应能在多大程度上被缩放至真实星系 tracer（如 LRGs）？

主要发现

• 该方法利用一年 DESI 探测数据，预测可实现 σfNL ≈ 22 的精度，表明其具有强大的约束能力。
• 该框架成功捕捉了 fNL 对 2pcf 和 3pcf 单极矩引起的尺度依赖性偏置，且在包括 EZ mocks 和 FastPM-L3 模拟在内的多个模拟集上结果一致。
• 与单独使用任一统计量相比，同时包含 2pcf 和 3pcf 单极矩显著提升了对 fNL 的敏感性，证实了多点相关函数分析的优势。
• 在将关键观测系统误差建模为额外参数并赋予适当权重的前提下，该模型保持鲁棒性。
• 该方法具有通用性：只要有基准模拟和偏置响应参数 p，即可应用于任何宇宙学 tracer，包括未来的 DESI tracer 和 Euclid 数据。
• 结果证实，配置空间相关函数为 PNG 约束提供了一种可行且具有竞争力的替代傅里叶空间双谱方法。