[论文解读] Impacts of dark energy on weighing neutrinos after DESI BAO

Guohong Du, Peng-Ju Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本研究探讨了动力学暗能量如何影响利用最新DES I BAO、DES Y5超新星、CMB以及额外距离数据（LGRB、GADD）对中微子质量的宇宙学约束。研究发现，具有正常中微子质量顺序的$w_0w_a$CDM模型被强烈支持，总中微子质量在95%置信水平下被约束为$ less 0.204\ \text{eV}$，且在包含额外距离测量时，暗能量偏离$ CDM超过$4\sigma$。

ABSTRACT

Recently, DESI has released baryon acoustic oscillation (BAO) data, and DES has also published its five-year supernova (SN) data. These observations, combined with cosmic microwave background (CMB) data, support a dynamically evolving dark energy at a high confidence level. When using cosmological observations to weigh neutrinos, the results of weighing neutrinos will be significantly affected by the measurement of dark energy due to the degeneracy between neutrino mass and the dark-energy equation of state. Therefore, we need to understand how the dynamical evolution of dark energy in the current situation will affect the measurement of neutrino mass. In this work, we utilize these latest observations and other additional distance measurements to discuss the mutual influence between neutrinos and dark energy, then calculate the Bayes factor to compare models. We consider three neutrino mass hierarchies including degenerate hierarchy (DH), normal hierarchy (NH), and inverted hierarchy (IH), as well as three dark energy models including $Λ m CDM$, $w m CDM$, and $w_0w_a m CDM$ models. Cosmological data combined with the prior of particle physics experiments can provide strong to decisive evidence favoring the $w_0w_a { m CDM}+\sum m_ν$ model with NH. In the $w_0w_a m CDM$ model, using the CMB+DESI+DESY5 data, we obtain constraints on the total neutrino mass, $\sum m_ν<0.171\ m eV,\ 0.204\ m eV,\ 0.220\ m eV$, for DH, NH, and IH, respectively. Furthermore, taking into account the neutrino hierarchy or incorporating additional distance measurements results in a more pronounced deviation from the $Λ$CDM model for dark energy. The latter, particularly, exhibits a deviation at a confidence level that surpasses $4σ$.

研究动机与目标

• 评估暗能量方程态的动态演化如何影响中微子质量的宇宙学约束，鉴于暗能量方程态与中微子质量之间存在退化关系。
• 评估近期宇宙学数据集（尤其是DES I BAO和DES Y5超新星）对中微子质量极限和暗能量模型选择的影响。
• 确定是否包含额外距离测量（LGRB、GADD）能提升$H_0$的精度并打破参数退化。
• 使用贝叶斯因子比较竞争模型——$ CDM、$w$CDM、$w_0w_a$CDM——以确定最被支持的暗能量与中微子质量顺序情景。
• 评估宇宙学数据与粒子物理先验之间的协同作用，以区分中微子质量顺序并约束$ mid m_\nu$。

提出的方法

• 分析结合了CMB数据（Planck）、DES I BAO测量、DES Y5超新星数据，以及两种额外的距离探针：长伽马射线暴（LGRB）和星系-AGN互相关距离（GADD）。
• 在$ CDM、$w$CDM和$w_0w_a$CDM框架下，对三种中微子质量顺序（简并（DH）、正常（NH）、倒序（IH））进行宇宙学模型检验。
• 通过计算贝叶斯因子比较模型证据，优先选择能最好解释数据且惩罚复杂性的模型。
• 通过引入LGRB和GADD数据，$H_0$的约束精度得到提升，不确定性降低约20%。
• 中微子质量先验基于粒子物理实验，特别是$\beta$衰变和无中微子双$\beta$衰变，以评估与质量顺序相关的约束。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样进行参数估计，以推导$ mid m_\nu$、$w_0$和$w_a$的后验分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量的动力学演化如何影响总中微子质量的上限推断？
• RQ2 在CMB、DES I BAO、DES Y5和额外距离数据的联合约束下，$ CDM、$w$CDM或$w_0w_a$CDM中哪一模型最被支持？
• RQ3 包含额外距离测量（LGRB和GADD）是否能显著提升$H_0$的精度并减少中微子质量与暗能量参数之间的退化？
• RQ4 在考虑中微子质量顺序和宇宙学数据时，非$ CDM暗能量模型的证据如何？
• RQ5 宇宙学对$ mid m_\nu$的约束与KATRIN和KamLAND-Zen等$\beta$衰变实验的约束相比如何？

主要发现

• 在$w_0w_a$CDM模型中，CMB、DES I和DES Y5数据的组合对正常中微子质量顺序（NH）给出$ mid m_\nu < 0.204\ \text{eV}$，置信水平为95%。
• $w_0w_a$CDM模型与NH被贝叶斯因子分析强烈支持，宇宙学数据提供了决定性证据，优于其他模型。
• 包含LGRB和GADD距离测量使暗能量偏离$ CDM的程度超过$4\sigma$，表明有强烈证据否定宇宙学常数。
• LGRB和GADD数据的加入使$H_0$的不确定性降低约20%，并进一步收紧了$ mid m_\nu$的上限。
• 宇宙学对$ mid m_\nu$的约束比当前$\beta$衰变实验（如KATRIN的$m_\beta < 0.8\ \text{eV}$）更严格，甚至优于无中微子双$\beta$衰变实验的灵敏度（如KamLAND-Zen的$m_{\beta\beta} < 0.156\ \text{eV}$）。
• PantheonPlus超新星数据集对中微子质量的约束比DES Y5更紧，并能更好地区分中微子质量顺序，尽管其在约束暗能量模型方面效果较弱。