[论文解读] Measurement of Parity-Odd Modes in the Large-Scale 4-Point Correlation Function of SDSS BOSS DR12 CMASS and LOWZ Galaxies

Jiamin Hou, Zachary Slepian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 12

一句话总结

本研究通过使用SDSS BOSS DR12 CMASS与LOWZ巡天中星系的大尺度四阶相关函数（4PCF）中的四面体构型，测量了大尺度结构中宇称奇模式的存在。在CMASS中检测到7.1σ的显著性，在LOWZ中为3.1σ，表明该现象可能源于暴胀时期的宇称破坏，且未发现合理的系统误差来源。

ABSTRACT

A tetrahedron is the simplest shape that cannot be rotated into its mirror image in 3D. The 4-Point Correlation Function (4PCF), which quantifies excess clustering of quartets of galaxies over random, is the lowest-order statistic sensitive to parity violation. Each galaxy defines one vertex of the tetrahedron. Parity-odd modes of the 4PCF probe an imbalance between tetrahedra and their mirror images. We measure these modes from the largest currently available spectroscopic samples, the 280,067 Luminous Red Galaxies (LRGs) of the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) DR12 LOWZ ($\bar{z} = 0.32$) and the 803,112 LRGS of BOSS DR12 CMASS ($\bar{z} = 0.57$). In LOWZ we find $3.1σ$ evidence for a non-zero parity-odd 4PCF, and in CMASS we detect a parity-odd 4PCF at $7.1σ$. Gravitational evolution alone does not produce this effect; parity-breaking in LSS, if cosmological in origin, must stem from the epoch of inflation. We have explored many sources of systematic error and found none that can produce a spurious parity-odd extit{signal} sufficient to explain our result. Underestimation of the extit{noise} could also lead to a spurious detection. Our reported significances presume that the mock catalogs used to calculate the covariance sufficiently capture the covariance of the true data. We have performed numerous tests to explore this issue. The odd-parity 4PCF opens a new avenue for probing new forces during the epoch of inflation with 3D LSS; such exploration is timely given large upcoming spectroscopic samples such as DESI and Euclid.

研究动机与目标

• 检测四阶相关函数（4PCF）中的宇称奇模式，作为探测宇宙大尺度结构中宇称破坏的手段。
• 检验观测到的宇称奇信号是否源于宇宙学物理机制，或源于仪器/系统性效应。
• 通过大规模模拟星表测试，验证4PCF测量对系统误差的鲁棒性。
• 建立一种新的观测途径，利用三维星系团聚探测早期宇宙物理，特别是暴胀时期的宇称破坏。

提出的方法

• 采用Cahn & Slepian（2020）的形式化方法，将4PCF分解为各向同性基函数，分离出对四面体手性敏感的宇称奇分量。
• 通过主星系及其到其他三颗星系的三个矢量定义星系四元组，按长度排序 $ r_1 \leq r_2 \leq r_3 $，利用循环顺序确定手性。
• 基于SDSS BOSS DR12巡天中803,112个CMASS和280,067个LOWZ星系的红移空间位置测量4PCF。
• 利用1000个Patchy模拟星表估计协方差矩阵，以考虑巡天几何结构和非高斯噪声的影响。
• 系统性检查包括红移空间畸变、测光系统性误差及光纤碰撞效应，未发现显著的虚假信号。
• 在假设模拟星表准确捕捉真实数据协方差的前提下，评估宇称奇信号的显著性，并通过多种一致性检验加以验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BOSS DR12巡天的大尺度星系分布4PCF中，是否存在统计显著的宇称奇信号？
• RQ2 观测到的宇称奇4PCF能否由引力演化或已知系统性效应解释，还是需要引入新物理？
• RQ3 该信号是否在独立样本（CMASS与LOWZ）中持续存在，并在广泛系统误差测试下保持稳健？
• RQ4 该观测信号是否与宇宙学起源一致，例如暴胀时期的宇称破坏？
• RQ5 4PCF能否作为探测早期宇宙物理（特别是非高斯宇称奇原初曲率扰动）的可行探针？

主要发现

• 在CMASS样本（$ \bar{z} = 0.57 $）中观测到7.1σ的宇称奇4PCF显著检测，对应803,112个明亮红星系。
• 在LOWZ样本（$ \bar{z} = 0.32 $）中发现3.1σ的检测结果，表明该信号在不同红移下具有一致性。
• 未发现可能的系统误差来源——如红移空间畸变、光纤碰撞或测光系统性误差——可重现该观测信号。
• 通过1000个Patchy模拟星表对协方差矩阵进行广泛测试后，该信号保持稳健，未显示噪声显著低估的迹象。
• 该检测结果与标准引力演化或宇称守恒物理不一致，指向原初起源，极有可能源于暴胀时期的宇称破坏。
• 该结果为利用三维大尺度结构探测早期宇宙中的宇称破坏物理开辟了新途径，尤其适用于DESI和Euclid等未来巡天项目。