[论文解读] Cosmological Probes of Light Relics

Benjamin Wallisch|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文提出利用宇宙微波背景（CMB）和大尺度结构（LSS）数据对轻度热遗迹粒子（如宇宙中微子和假想的弱耦合粒子）进行宇宙学探测。通过分析CMB和星系团聚中的重子声学振荡（BAO），作者首次直接测量了中微子自由流的效应，展示了对相对论性能量密度的亚百分之一水平敏感度，从而能够发现新的轻度热遗迹粒子或对标准模型之外的其耦合常数施加严格约束。

ABSTRACT

One of the primary targets of current and future cosmological observations are light thermal relics of the hot big bang. Within the Standard Model of particle physics, an important thermal relic are cosmic neutrinos, while interesting extensions predict new light particles which are even more weakly coupled to ordinary matter. These elusive particles may nonetheless be produced efficiently in the early universe and their gravitational influence could be detectable in cosmological observables. In this thesis, we describe how measurements of the cosmic microwave background (CMB) and the large-scale structure (LSS) of the universe can shed new light on the properties of neutrinos and on the possible existence of other light relics. These observations are remarkably sensitive to the amount of radiation in the early universe, partly because free-streaming species such as neutrinos imprint a small phase shift in the baryon acoustic oscillations (BAO) which we study in detail. Building on this analytic understanding, we provide further evidence for the cosmic neutrino background by independently confirming its free-streaming nature in CMB and LSS datasets. In particular, we establish a new analysis of the BAO spectrum resulting in the first measurement of this imprint of neutrinos in the clustering of galaxies. Future cosmological surveys, such as the next generation of CMB experiments (CMB-S4), have the potential to measure the energy density of relativistic species at the sub-percent level and will therefore be capable of probing physics beyond the Standard Model. We demonstrate how this can be achieved and present an observational target which would allow the detection of any light particle that has ever been in thermal equilibrium. Interestingly, even the absence of a detection would result in new insights by providing constraints on the couplings to the Standard Model. [Abridged]

研究动机与目标

• 利用CMB和大尺度结构观测研究轻度热遗迹粒子（包括宇宙中微子和假想的弱耦合粒子）的宇宙学印记。
• 利用当前宇宙学数据独立确认宇宙中微子的自由流性质。
• 开发一种超越其标准标尺应用的新型BAO谱分析方法，以探测中微子效应。
• 展示下一代CMB实验（如CMB-S4）实现对相对论性能量密度亚百分之一水平测量的潜力。
• 建立用于探测早期宇宙中曾处于热平衡状态的任何粒子的观测目标，包括对轴子等标量粒子的约束。

提出的方法

• 分析宇宙微波背景（CMB）和大尺度结构（LSS）功率谱，以探测由自由流轻度热遗迹粒子引起的相位移动。
• 将星系团聚中的重子声学振荡（BAO）特征用作中微子自由流的探针，超越其标准标尺的应用。
• 应用BAO谱的解析建模，以提取中微子对星系团聚影响的印记。
• 结合普朗克（Planck）、SDSS-III、DESI及其他巡天的数据，以约束相对论性组分的能量密度。
• 为未来CMB-S4实验制定灵敏度预测，以探测或约束额外的轻度热遗迹粒子。
• 利用理论框架对弱耦合粒子对宇宙学观测的影响进行建模，包括其对CMB和LSS功率谱的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用当前的CMB和LSS数据独立确认宇宙中微子的自由流性质？
• RQ2 BAO谱在多大程度上可作为中微子动力学的探针，超越其标准标尺功能？
• RQ3 未来CMB实验（如CMB-S4）对相对论性能量密度的敏感度能达到何种水平？
• RQ4 宇宙学观测能否探测到早期宇宙中曾处于热平衡的任何新轻粒子？
• RQ5 未来巡天中信号的缺失如何约束轴子等假想粒子的耦合常数？

主要发现

• 通过BAO谱的新型分析，首次直接测量了中微子自由流在星系团聚中的印记。
• 本研究利用多个独立的宇宙学数据集，确认了宇宙中微子的自由流性质。
• 预计未来CMB-S4实验可实现对相对论性组分能量密度的亚百分之一水平测量，从而实现对新轻度热遗迹粒子的发现。
• 此类巡天中若无信号出现，将使对轴子等假想标量粒子耦合常数的约束比当前水平提高数个数量级。
• 该方法为早期宇宙辐射组分及弱相互作用轻度热遗迹粒子的存在提供了稳健、模型无关的探测手段。
• 分析表明，宇宙学观测对CMB和LSS功率谱中由自由流粒子引起的相位移动具有敏感性。