[论文解读] Euclid preparation. Sensitivity to neutrino parameters

Euclid Collaboration, M. Archidiacono+247 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了欧几里得（Euclid）对中微子参数的敏感性，表明其弱引力透镜和宇宙剪切数据——尤其是与宇宙微波背景（CMB）数据结合时——将严格约束有效相对论性物种数量（$N_{\rm eff}$）和中微子质量。在普朗克（Planck）与欧几里得联合数据下，$\Delta N_{\rm eff}$ 的 95% 置信水平上限为 $<0.144$，而未来 CMB 探测任务（如 LiteBIRD 和 CMB-S4）将进一步收紧至 $<0.063$，从而对标准模型之外的粒子提供强有力约束，并可能为哈勃常数之谜（Hubble tension）提供解决方案。

ABSTRACT

The Euclid mission of the European Space Agency will deliver weak gravitational lensing and galaxy clustering surveys that can be used to constrain the standard cosmological model and extensions thereof. We present forecasts from the combination of these surveys on the sensitivity to cosmological parameters including the summed neutrino mass $M_ν$ and the effective number of relativistic species $N_{ m eff}$ in the standard $Λ$CDM scenario and in a scenario with dynamical dark energy ($w_0 w_a$CDM). We compare the accuracy of different algorithms predicting the nonlinear matter power spectrum for such models. We then validate several pipelines for Fisher matrix and MCMC forecasts, using different theory codes, algorithms for numerical derivatives, and assumptions concerning the non-linear cut-off scale. The Euclid primary probes alone will reach a sensitivity of $σ(M_ν)=$56meV in the $Λ$CDM+$M_ν$ model, whereas the combination with CMB data from Planck is expected to achieve $σ(M_ν)=$23meV and raise the evidence for a non-zero neutrino mass to at least the $2.6σ$ level. This can be pushed to a $4σ$ detection if future CMB data from LiteBIRD and CMB Stage-IV are included. In combination with Planck, Euclid will also deliver tight constraints on $ΔN_{ m eff}&lt; 0.144$ (95%CL) in the $Λ$CDM+$M_ν$+$N_{ m eff}$ model, or $ΔN_{ m eff}&lt; 0.063$ when future CMB data are included. When floating $(w_0, w_a)$, we find that the sensitivity to $N_{ m eff}$ remains stable, while that to $M_ν$ degrades at most by a factor 2. This work illustrates the complementarity between the Euclid spectroscopic and imaging/photometric surveys and between Euclid and CMB constraints. Euclid will have a great potential for measuring the neutrino mass and excluding well-motivated scenarios with additional relativistic particles.

研究动机与目标

• 评估欧几里得在 $\Lambda$CDM 模型及其扩展框架下对中微子参数（特别是 $N_{\rm eff}$ 和 $\sum m_\nu$）的敏感性。
• 评估将欧几里得的弱引力透镜和宇宙剪切数据与 CMB 数据结合，能否打破 $N_{\rm eff}$ 与 $H_0$ 之间的退化关系。
• 确定欧几里得是否能首次探测到非零中微子质量，并约束中微子质量顺序。
• 通过 $N_{\rm eff}$ 的约束，检验标准模型之外轻度剩余粒子（如戈尔德斯通玻色子或外尔费米子）的可行性。
• 探究欧几里得通过约束相对论性组分的退耦时间，是否具备解决哈勃常数之谜的潜力。

提出的方法

• 分析基于欧几里得主要探测手段（来自 DEMNUni 模拟的宇宙剪切和弱引力透镜功率谱）的费舍尔矩阵预测。
• 方法中包含对动力学暗能量参数的边际化，以评估约束结果在模型扩展下的鲁棒性。
• 将欧几里得的弱引力透镜数据与普朗克、LiteBIRD 和 CMB 阶段四（CMB Stage-IV）的 CMB 数据结合，以打破 $N_{\rm eff}$–$H_0$ 退化关系。
• 研究采用基准模型，其中 $N_{\rm eff} = 3.044$（仅含标准中微子），并计算 $\Delta N_{\rm eff}$ 的 95% 置信水平上限。
• 框架假设为 $\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$+$N_{\rm eff}$ 宇宙学模型，约束结果基于宇宙剪切和功率谱数据的似然分析。
• 利用高性能计算资源（包括 CINECA 和 RWTH 亚琛大学集群）对模拟和预测结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧几里得能否独立探测到非零中微子质量？其预期灵敏度如何？
• RQ2 将欧几里得与 CMB 数据结合后，对 $N_{\rm eff}$ 的约束如何改善，$H_0$–$N_{\rm eff}$ 退化关系如何缓解？
• RQ3 欧几里得与普朗克联合数据对 $\Delta N_{\rm eff}$ 的上限是多少？未来 CMB 探测任务是否能进一步提升精度？
• RQ4 基于 $N_{\rm eff}$ 的约束，欧几里得能否排除戈尔德斯通玻色子或无质量规范玻色子等轻度剩余粒子？
• RQ5 欧几里得在 QCD 相变之前，能否对相对论性组分的退耦时间实现有效约束？

主要发现

• 在 $\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$+$N_{\rm eff}$ 模型下，结合普朗克与欧几里得数据，$\Delta N_{\rm eff}$ 的 95% 置信水平上限为 $<0.144$。
• 当与未来 LiteBIRD 和 CMB 阶段四的 CMB 数据结合时，该上限进一步收紧至 $\Delta N_{\rm eff} < 0.063$。
• 即使在对动力学暗能量参数进行边际化后，该约束依然稳健，表明其在模型扩展下具有高度稳定性。
• 欧几里得单独即可约束 QCD 相变之后相对论性组分的退耦时间；结合 CMB 数据后，甚至 QCD 之前（如早期退耦）的时间也可被测量。
• 联合数据集具有强大潜力，可排除大量理论动机充分的额外相对论性粒子模型，如戈尔德斯通玻色子或外尔费米子。
• 结果表明，欧几里得有望首次提供非零中微子质量的强有力证据，并对中微子质量顺序提供显著线索。