[论文解读] Cosmological searches for the neutrino mass scale and mass ordering

Sunny Vagnozzi|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

该论文通过利用大尺度结构（LSS）数据，建立了中微子质量之和的稳健上限0.12 eV，提出了一种校准的、与尺度相关的星系偏置模型，以克服大质量中微子引起的系统误差，并表明非phantom暗能量模型可进一步收紧该上限。此外，研究还表明中微子参数对暴胀参数约束的影响极小，确保了早期宇宙宇宙学的稳定性。

ABSTRACT

In this thesis, I describe a number of recent important developments in neutrino cosmology on three fronts. Firstly, focusing on Large-Scale Structure (LSS) data, I will show that current cosmological probes contain a wealth of information on the sum of the neutrino masses. I report on the analysis leading to the currently best upper limit on the sum of the neutrino masses of $0.12\,{ m eV}$. I show how cosmological data exhibits a weak preference for the normal neutrino mass ordering because of parameter space volume effects, and propose a simple method to quantify this preference. Secondly, I will discuss how galaxy bias represents a severe limitation towards fully capitalizing on the neutrino information hidden in LSS data. I propose a method for calibrating the scale-dependent galaxy bias using CMB lensing-galaxy cross-correlations. Moreover, in the presence of massive neutrinos, the usual definition of bias becomes inadequate, as it leads to a scale-dependence on large scales which has never been accounted for. I show that failure to define the bias appropriately will be a problem for future LSS surveys, and propose a simple recipe to account for the effect of massive neutrinos on galaxy bias. Finally, I discuss implications of correlations between neutrino parameters and other cosmological parameters. In non-phantom dynamical dark energy models, the upper limit on the sum of the neutrino masses becomes tighter than the $Λ$CDM limit. Therefore, such models exhibit an even stronger preference for the normal ordering, and their viability could be jeopardized should near-future laboratory experiments determine that the mass ordering is inverted. I then discuss correlations between neutrino and inflationary parameters. I find that our determination of inflationary parameters is stable against assumptions about the neutrino sector. (abridged)

研究动机与目标

• 为解决从宇宙学大尺度结构（LSS）数据中提取精确中微子质量约束的关键挑战，该挑战目前受限于星系偏置系统误差。
• 解决在存在大质量中微子时标准星系偏置定义的不足，这些中微子在大尺度上诱导虚假的尺度依赖效应。
• 量化宇宙学数据对正常中微子质量顺序的偏好程度，同时考虑参数空间体积效应。
• 研究中微子参数与其他宇宙学参数（尤其是非phantom暗能量模型中的参数）之间的相关性如何影响质量约束。
• 评估暴胀参数估计的鲁棒性，以应对中微子领域的不确定性，确保早期宇宙物理学不受显著污染。

提出的方法

• 通过当前LSS巡天的星系功率谱数据，利用贝叶斯参数估计，推导出目前最紧的中微子质量之和上限。
• 提出一种利用宇宙微波背景（CMB）强引力透镜与星系聚类之间交叉相关性的新方法，对与尺度相关的星系偏置进行校准，从而提高宇宙学推断的准确性。
• 修订标准星系偏置定义，以考虑大质量中微子的引力效应，防止大尺度功率谱中出现虚假的尺度依赖性。
• 提出一种简单的解析方法，用于建模大质量中微子对星系偏置的影响，确保未来巡天中的一致性。
• 通过将中微子质量之和的约束与标准ΛCDM模型进行比较，研究非phantom动力学暗能量模型（如标量场暗能量）中的参数退化现象。
• 利用Fisher矩阵技术与模型比较，评估暴胀参数约束的稳定性，通过考察其与中微子参数的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从当前LSS数据中可推导出的中微子质量之和的最紧上限是多少？其受系统偏差的影响如何？
• RQ2 大质量中微子的存在如何使标准星系偏置定义失效？是否存在物理解释一致的替代定义？
• RQ3 宇宙学数据在多大程度上表现出对正常中微子质量顺序的偏好？这种偏好能否在统计体积效应之外被量化？
• RQ4 与ΛCDM模型相比，非phantom暗能量模型如何改变中微子质量之和的上限？这对质量顺序偏好有何影响？
• RQ5 对暴胀参数的约束对中微子领域的不确定性有多敏感？中微子未知量是否可被视为早期宇宙宇宙学中的显著干扰因素？

主要发现

• 分析得出了目前最紧的中微子质量之和上限：0.12 eV，该结果基于星系功率谱数据。
• 宇宙学数据表现出对正常中微子质量顺序的微弱但可量化的偏好，主要源于正常质量顺序下更大的参数空间体积。
• 若未在大质量中微子存在下正确地定义星系偏置，将导致宇宙学参数估计错误，尤其是在未来高精度LSS巡天中。
• 所提出的利用CMB强引力透镜与星系交叉相关性的方法，显著提高了中微子质量约束的可靠性。
• 在非phantom暗能量模型中，中微子质量之和的上限比在ΛCDM模型中更紧，进一步强化了对正常质量顺序的偏好。
• 中微子参数与暴胀参数的相关性极小，表明中微子领域中的不确定性不会显著阻碍暴胀模型约束的精度。