[论文解读] Weighing Neutrinos: Weak Lensing Approach

Asantha Cooray|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 23

一句话总结

本文提出利用弱引力透镜观测直接测量中微子质量，通过探测大质量中微子自由流动物理导致的小尺度物质功率谱抑制。在100 deg²的巡天中，可于2σ水平检测到约3.5 eV的中微子质量；若采用全天空（π立体角）巡天并结合PLANCK水平的宇宙学参数精度，灵敏度可提升至约0.4 eV，提供直接质量测量，超越粒子物理实验仅能测量质量差的局限。

ABSTRACT

We study the possibility for a measurement of neutrino mass using weak gravitational lensing. The presence of non-zero mass neutrinos leads to a suppression of power at small scales and reduces the expected weak lensing signal. The measurement of such a suppression in the weak lensing power spectrum allows a direct measurement of the neutrino mass, in contrast to various other experiments which only allow mass splittings between two neutrino species. Making reasonable assumptions on the accuracy of cosmological parameters, we suggest that a weak lensing survey of 100 sqr. degrees can be easily used to detect neutrinos down to a mass limit of 3.5 eV at the 2 sigma level. This limit is lower than current limits on neutrino mass, such as from the Ly-alpha forest and SN1987A. An ultimate weak lensing survey of pi steradians down to a magnitude limit of 25 can be used to detect neutrinos down to a mass limit of 0.4 eV at the 2 sigma level, provided that other cosmological parameters will be known to an accuracy expected from cosmic microwave background spectrum using the MAP satellite. With improved parameters estimated from the PLANCK satellite, the limit on neutrino mass from weak lensing can be further lowered by another factor of 3 to 4. For much smaller surveys (10 sqr. degrees) that are likely to be first available in the near future with several wide-field cameras, the presence of neutrinos can be safely ignored when deriving conventional cosmological parameters such as the mass density of the Universe. However, armed with cosmological parameter estimates with other techniques, even such small area surveys allow a strong possibility to investigate the presence of non-zero mass neutrinos.

研究动机与目标

• 探索利用弱引力透镜测量绝对中微子质量的可行性，该方法对大质量中微子引起的非线性小尺度功率抑制敏感。
• 比较弱引力透镜与其它宇宙学探针（如Lyα森林和SN1987A）对中微子质量的灵敏度。
• 在考虑现实宇宙学参数不确定性的前提下，量化探测亚-eV量级中微子质量所需的巡天面积与深度。
• 评估当宇宙学参数由其他方法提供外部约束时，小面积巡天（如~10 deg²）在中微子质量探测中的贡献程度。
• 证明弱引力透镜可提供中微子质量的直接测量，而不同于粒子物理实验仅能测量不同中微子种类之间的质量差。

提出的方法

• 使用MDM（混合暗物质）转移函数，建模大质量中微子自由流动物理导致的物质功率谱抑制。
• 通过将投影物质功率谱与背景源红移分布卷积，模拟弱引力透镜功率谱。
• 采用Fisher矩阵分析估算中微子质量测量的误差，同时考虑Ωm、h和σ8等宇宙学参数的不确定性。
• 通过计算不同巡天面积与深度（星等极限）下，中微子质量信号在透镜功率谱中的2σ显著性，评估检测极限。
• 引入CMB实验（MAP与PLANCK）的外部约束，以减少参数退化并提升中微子质量的探测灵敏度。
• 比较保守与乐观的误差假设，以界定未来弱引力透镜巡天的预期灵敏度范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 弱引力透镜巡天能否探测到由大质量中微子引起的非线性小尺度功率抑制，从而实现中微子质量的直接测量？
• RQ2 在100 deg²的弱引力透镜巡天中，星等极限为25时，可在2σ水平检测到的最小中微子质量是多少？
• RQ3 引入MAP与PLANCK的CMB先验后，弱引力透镜巡天对中微子质量的探测灵敏度如何变化？
• RQ4 当宇宙学参数由其他方法约束时，小面积巡天（~10 deg²）在中微子质量探测中的贡献程度如何？
• RQ5 若忽略大质量中微子的存在，其对小巡天中宇宙学参数估计（如Ωm）会产生多大程度的偏差？

主要发现

• 深度为25等、面积为100 deg²的弱引力透镜巡天，可在2σ置信水平检测到约3.5 eV的中微子质量。
• 若采用全天空（π立体角）巡天，深度为25等，并假设宇宙学参数精度达到PLANCK水平，则可检测到低至约0.4 eV的中微子质量（2σ水平）。
• 在PLANCK水平宇宙学参数约束下，弱引力透镜对中微子质量的探测极限相比MAP水平约束可降低3至4倍。
• 对于面积约10 deg²的巡天，若中微子质量低于约5 eV，在估计Ωm等宇宙学参数时可安全忽略其影响，因其引起的偏差小于15%。
• 即使小巡天也能在宇宙学参数由其他探针（如CMB与星系红移巡天）独立估计的前提下，对中微子质量施加强约束。
• 弱引力透镜可提供中微子绝对质量的直接测量，而不同于粒子物理实验仅能测量中微子种类之间的质量差。