[论文解读] Neutrino mass limits: robust information from the power spectrum of galaxy surveys

Antonio J. Cuesta, Viviana Niro+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

本文利用WiggleZ和SDSS-DR7明亮红巨星星系巡天的大规模结构功率谱数据，结合Planck CMB和BAO数据，推导出活动中微子质量之和的稳健上限。当使用SDSS-DR7 LRG数据结合BAO与Planck数据时，95%可信区间上限为0.13 eV，表明该约束在不同星系示踪器之间保持稳定，且对BAO数据高度敏感，后者通过打破参数空间中的退化关系显著提升了精度。

ABSTRACT

We present cosmological upper limits on the sum of active neutrino masses using large-scale power spectrum data from the WiggleZ Dark Energy Survey and from the Sloan Digital Sky Survey - Data Release 7 (SDSS-DR7) sample of Luminous Red Galaxies (LRG). Combining measurements on the Cosmic Microwave Background temperature and polarisation anisotropies by the Planck satellite together with WiggleZ power spectrum results in a neutrino mass bound of 0.37 eV at 95% C.L., while replacing WiggleZ by the SDSS-DR7 LRG power spectrum, the 95% C.L. bound on the sum of neutrino masses is 0.38 eV. Adding Baryon Acoustic Oscillation (BAO) distance scale measurements, the neutrino mass upper limits greatly improve, since BAO data break degeneracies in parameter space. Within a $\\Lambda$CDM model, we find an upper limit of 0.13 eV (0.14 eV) at 95% C.L., when using SDSS-DR7 LRG (WiggleZ) together with BAO and Planck. The addition of BAO data makes the neutrino mass upper limit robust, showing only a weak dependence on the power spectrum used. We also quantify the dependence of neutrino mass limit reported here on the CMB lensing information. The tighter upper limit (0.13 eV) obtained with SDSS-DR7 LRG is very close to that recently obtained using Lyman-alpha clustering data, yet uses a completely different probe and redshift range, further supporting the robustness of the constraint. This constraint puts under some pressure the inverted mass hierarchy and favours the normal hierarchy.

研究动机与目标

• 利用星系巡天的大规模结构数据推导活动中微子质量之和的宇宙学上限。
• 通过比较不同星系示踪器，评估中微子质量约束对星系偏置系统不确定性影响的稳健性。
• 评估重子声学振荡（BAO）数据在打破参数空间退化关系并提升质量上限精度方面的作用。
• 评估不同探测手段（如LRG与Lyman-alpha森林）及红移区间之间约束的一致性。
• 基于推导出的上限，判断当前数据是否更支持正常中微子质量顺序或倒置中微子质量顺序。

提出的方法

• 使用WiggleZ暗能量巡天和SDSS-DR7明亮红巨星（LRG）样本的物质功率谱作为大尺度结构的示踪器。
• 将这些星系功率谱测量结果与Planck 2015年CMB温度和极化各向异性数据相结合。
• 引入BAO距离尺度测量以打破宇宙学参数空间中的退化关系。
• 采用贝叶斯框架计算后验分布及中微子质量之和的95%可信上限。
• 通过引入H₀测量和CMB引力透镜数据，测试结果对附加数据的敏感性，以评估其稳健性。
• 比较不同星系示踪器（WiggleZ与SDSS-DR7 LRG）的约束结果，以评估星系偏置带来的系统效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用WiggleZ和SDSS-DR7 LRG的星系功率谱数据，能够获得的活动中微子质量之和的最紧上限是多少？
• RQ2 BAO数据如何通过打破宇宙学参数空间中的退化关系，提升中微子质量约束的精度？
• RQ3 不同星系示踪器（如LRG与WiggleZ）所得到的中微子质量上限在多大程度上一致？这对星系偏置意味着什么？
• RQ4 引入H₀和CMB引力透镜数据如何影响最终的中微子质量上限？
• RQ5 所推导出的上限是否更支持正常中微子质量顺序或倒置中微子质量顺序？

主要发现

• SDSS-DR7 LRG功率谱、Planck CMB与BAO数据的联合分析，对活动中微子质量之和给出95%可信区间的上限为0.13 eV。
• 若改用WiggleZ数据而非SDSS-DR7 LRG，则上限略弱，为0.14 eV（95% C.L.），表明不同示踪器之间结果一致。
• 加入BAO数据后，约束显著改善，与仅使用CMB加星系功率谱相比，上限降低约2.5倍。
• 0.13 eV的上限具有高度稳健性，对所用具体星系功率谱的依赖性极弱，表明对星系偏置系统误差的敏感性较低。
• 该约束非常接近0.1 eV的目标值，且与Lyman-alpha森林功率谱的约束一致，尽管探测手段和红移范围不同。
• 结果倾向于排除倒置中微子质量顺序，支持正常顺序，因为倒置顺序的最小允许值（0.0982 eV）低于该上限。