[论文解读] Updated results on neutrino mass and mass hierarchy from cosmology

Shouvik Roy Choudhury, Steen Hannestad|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本研究基于贝叶斯框架下的普朗克2018 CMB与BAO数据，更新了中微子质量之和（$\sum m_\nu$）的宇宙学约束，发现其在95%可信水平下，退化型为$\sum m_\nu < 0.12$ eV，正常型为$< 0.15$ eV，反常型为$< 0.17$ eV。通过$\chi^2$与贝叶斯证据分析，正常层次结构略占优势，而在扩展模型中未表现出强烈偏好。

ABSTRACT

In this work we update the bounds on $\sum m_{ u}$ from latest publicly available cosmological data and likelihoods using Bayesian analysis, while explicitly considering particular neutrino mass hierarchies. In the minimal $\Lambda extrm{CDM}+\sum m_{ u}$ model with most recent CMB data from Planck 2018 TT,TE,EE, lowE, and lensing; and BAO data from BOSS DR12, MGS, and 6dFGS, we find that at 95\% C.L. the bounds are: $\sum m_{ u}<0.12$ eV (degenerate), $\sum m_{ u}<0.15$ eV (normal), $\sum m_{ u}<0.17$ eV (inverted). The bounds vary across the different mass orderings due to different priors on $\sum m_{ u}$. Also, we find that the normal hierarchy is very mildly preferred relative to the inverted, using both minimum $\chi^2$ values and Bayesian Evidence ratios. In this paper we also provide bounds on $\sum m_{ u}$ considering different hierarchies in various extended cosmological models: $\Lambda extrm{CDM}+\sum m_{ u}+r$, $w extrm{CDM}+\sum m_{ u}$, $w_0 w_a extrm{CDM}+\sum m_{ u}$, $w_0 w_a extrm{CDM}+\sum m_{ u}$ with $w(z)\geq -1$, $\Lambda extrm{CDM} + \sum m_{ u} + \Omega_k$, and $\Lambda extrm{CDM} + \sum m_{ u} + A_{ extrm{Lens}}$. We do not find any strong evidence of normal hierarchy over inverted hierarchy in the extended models either.

研究动机与目标

• 使用最新宇宙学数据集和似然函数，精炼中微子质量之和（$\\sum m_\\nu$）的约束。
• 通过贝叶斯分析，评估中微子质量层次（退化型、正常型、反常型）对$\sum m_\nu$约束的影响。
• 利用$\chi^2$与贝叶斯证据比，评估正常层次与反常层次之间的相对偏好。
• 将分析扩展至多个宇宙学模型，包括$\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$+$r$、$w$CDM、$w_0w_a$CDM，以及具有曲率或透镜化幅度的模型。

提出的方法

• 使用普朗克2018 TT、TE、EE、lowE及透镜化似然函数进行CMB功率谱的贝叶斯参数估计。
• 整合来自BOSS DR12、MGS和6dFGS的BAO数据，以约束宇宙距离 ladder。
• 在$\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$框架内显式建模三种中微子质量层次——退化型、正常型与反常型。
• 计算贝叶斯证据比与$\chi^2$值，以比较正常层次与反常层次情景。
• 将分析扩展至六个扩展宇宙学模型，包括$w_0w_a$CDM与具有曲率或透镜化幅度的$\Lambda$CDM模型。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法探索参数空间，并推导$\sum m_\nu$的后验分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于普朗克2018与BAO数据，各类中微子质量层次的$\sum m_\nu$ 95%可信上限是多少？
• RQ2 在最小的$\Lambda$CDM+$\sum m_\nu$模型中，是否存在统计上显著的正常层次优于反常层次的偏好？
• RQ3 在包含暗能量动力学或曲率的各类扩展宇宙学模型中，$\sum m_\nu$的约束如何变化？
• RQ4 引入额外宇宙学参数是否会改变对正常层次与反常层次的偏好？
• RQ5 在考虑多种数据集与似然函数时，层次偏好的稳健性如何？

主要发现

• 在95%可信水平下，退化型质量层次的$\sum m_\nu$上限为$< 0.12$ eV。
• 对于正常层次，95%上限为$< 0.15$ eV。
• 对于反常层次，95%上限为$< 0.17$ eV。
• 基于$\chi^2$值与贝叶斯证据比，正常层次相较于反常层次略占优势。
• 在所有测试的扩展宇宙学模型中，未发现对正常层次的强烈证据支持。
• 由于贝叶斯分析中不同先验的影响，$\sum m_\nu$的约束在不同质量层次间存在显著差异。