[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Cosmology and Fundamental Physics from the three-dimensional Large Scale Structure

Simone Ferraro, Noah Sailer+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 20

一句话总结

本白皮书预测未来高红移大尺度结构3D映射的3D映射（3D mapping）将如何通过下一代测 survey 收紧对原初物理、暗能量、中微子和轻重元的约束，并概述 Fisher-mForecast 框架与仪器路线图。

ABSTRACT

Advances in experimental techniques make it possible to map the high redshift Universe in three dimensions at high fidelity in the near future. This will increase the observed volume by many-fold, while providing unprecedented access to very large scales, which hold key information about primordial physics. Recently developed theoretical techniques, together with the smaller size of non-linearities at high redshift, allow the reconstruction of an order of magnitude more "primordial modes", and should improve our understanding of the early Universe through measurements of primordial non-Gaussianity and features in the primordial power spectrum. In addition to probing the first epoch of accelerated expansion, such measurements can probe the Dark Energy density in the dark matter domination era, tightly constraining broad classes of dynamical Dark Energy models. The shape of the matter power spectrum itself has the potential to detect sub-percent fractional amounts of Early Dark Energy to $z \\sim 10^5$, probing Dark Energy all the way to when the Universe was only a few years old. The precision of these measurements, combined with CMB observations, also has the promise of greatly improving our constraints on the effective number of relativistic species, the masses of neutrinos, the amount of spatial curvature and the gravitational slip. Studies of linear or quasi-linear large-scale structure with redshift surveys and the CMB currently provide our tightest constraints on cosmology and fundamental physics. Pushing the redshift and volume frontier will provide guaranteed, significant improvements in the state-of-the-art in a manner that is easy to forecast and optimize.

研究动机与目标

• 动机高红移3D LSS以获取原初物理与早期宇宙信息。
• 预测对暴涨特征、非高斯性和原初幂谱形状的约束。
• 使用 BAO/RSD 在 z 约5 的范围内评估膨胀历史、曲率和动态暗能量。
• 结合 LSS+CMB 协同，评估中微子质量、轻 relics（N_eff）及超-ΛCDM 扩展。
• 概述下一代光谱与21 cm surveys 的实验路径与预测方法。

提出的方法

• 对 Pgg(k, μ, z) 采用 Fisher 预测形式，带 redshift-bin 分解，协方差包含噪声。
• 使用 FishLSS 代码计算 Fisher 矩阵并推导参数约束（论文中的式(1)(2)）。
• 用 velocileptors (一环 LPT) 加 EFT 推出项及随机项对非线性修正建模。
• 把 HI 密度演化 ΩHI(z) 作为对 21 cm 调查的边际参数纳入。
• 在 21 cm 中包含 HI 前景楔形以及在 k||-cut 中的前景前景（式3）的乐观/悲观情景。
• 预测跨高红移调查的线性/准线性幂谱测量及与 CMB 引力透镜的互相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来高红移调查相比单独的 CMB 能实现对三维物质幂谱的哪些精度测量？
• RQ2 高红移 LSS 在原初物理如 f_NL^local、暴涨特征和原初非高斯性形状方面能约束到何种程度？
• RQ3 当与 CMB 数据结合时，高红移 LSS 在暗能量、曲率与早期暗能量情景的约束有多大提升？
• RQ4 来自高红移 LSS 与 LIM 研究对中微子质量和 N_eff 的投射约束如何？
• RQ5 与 CMB 观测（透镜、tSZ/kSZ）协同如何增强约束并降低系统偏差？

主要发现

• 高红移3D LSS 能以前所未有的精度测量原初幂谱，对特征和非高斯性实现数量级改进。
• 局部型原初非高斯性可通过幂谱在乐观情景下达到 σ(fNL^loc)≈0.7，三点统计可进一步提升。
• 通过 BAO/RSD 的膨胀历史测量可达亚百分比精度直到 z ≳ 5，收紧对暗能量和曲率的约束。
• 早期暗能量(EDE) 与轻 relic 约束可降至亚百分比水平（ΩDE约束≤2%直到 z≈5；在预测中 f_EDE 在 z ~ 1e5 以下约 <1%）。
• 若中微子质量总和接近最小值，可能达到约3σ的检测，预测的不确定度约为 σ(Mν)≈20 meV。
• 来自高-z LSS 的 N_eff 约束可达 σ(N_eff)≈0.02–0.03，与 CMB 实验相当，并在与 CMB 数据结合时具有鲁棒性。