Santiago Casas
Cosmologist, Physicist, Data Scientist.
Measuring the Neutrino mass with next generation cosmology experiments
Santiago Casas
Postdoctoral Researcher
RWTH Aachen University
La Vía Láctea
http://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science
El Universo Local
Laniakea: https://projets.ip2i.in2p3.fr//cosmicflows/
La red cósmica
Millenium Simulation: https://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/
Grandes estructuras del Universo
Illustris Simulation: www.nature.com/articles/nature13316
Radiación Cósmica de Fondo de Microondas (CMB)
Planck 2018 CMB Temperature map (Commander) . wiki.cosmos.esa.int/planck-legacy-archive/index.php/CMB_maps
Radiación Cósmica de Fondo de Microondas (CMB)
Planck 2018 CMB Dust polarization map . wiki.cosmos.esa.int/planck-legacy-archive/index.php/CMB_maps
La Historia de Expansión del Universo
La composición del Universo
Cómo Sabemos Todo Esto?
1. Lentes Gravitacionales
Cómo Sabemos Todo Esto?
2. Radiación Cósmica de Fondo
Satélite Planck de la ESA
Datos y teoría calzan
Cómo Sabemos Todo Esto?
3. Galaxy Clustering
Efectos de la gravedad sobre el espacio tiempo
Funciones de correlación
El Modelo Estándar: \(\Lambda\)CDM
G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = 8\pi G T_{\mu \nu}
Ecuación de campo de Einstein
Supernovas 1998, Premio Nobel 2011
Relatividad General
Tensiones en la determinación de la aceleración del espacio
Tensiones en \(\Lambda\)CDM
H0 tension at 5\(\sigma\)
Clustering amplitude \(\sigma8\)
- \(\sigma_8\) - \(\Omega_m\) discrepancy at ~\(2\sigma\)
- Tension between late and early-time Universe
- Tension in clustering amplitude and matter content
Neutrinos Masivos en Cosmologia
- Neutrinos and Photons initially at thermal equilibrium
- Neutrinos decouple at \(\approx\) 1MeV
- Energy injection into photons from \(e^+ e^- \) annihilation
Neutrinos Masivos en Cosmologia
N_{\rm eff} = 3.0440
Froustey et al, arXiv:2008.01074, arXiv: 2110.11296
- If neutrinos are massless: relativistic, dilute as \(a^{-4}\)
- If massive: non-relativistic, one has to follow the Friedmann function evolution
Perturbaciones Lineales
The power spectrum is calculated from the linear density perturbations solving the Vlasov-Poisson system
Perturbaciones Lineales
Vlasov-Poisson system is a set of diff.eqn. in which all matter-radiation species are coupled
Slides by: Dennis Linde
Neutrinos masivos: Free streaming
- Neutrinos free stream below a scale of k_FS.
- They do not cluster below that scale.
- Suppression of the power spectrum.
- The non-relativistic transition imposes a minimum in k_FS
- Cosmology-dependent
Neutrinos masivos: Free streaming
P^{f_\nu}(k) = (1-f_\nu)^2 P(k)
Suppression of the power spectrum, at first order depends on energy density ratios
Neutrinos masivos: Free streaming
CMB angular spectrum and matter power spectrum are both dependent on neutrino mass, N_eff and ordering
Euclid Space Satellite
Euclid Space Satellite
- Two instruments:
- VIS (visible photometer): shape and orientation of 1.5 billion galaxies!
- NISP (near infrared spectrograph): 30 million galaxy spectra!
- 15 000 square degrees in the sky
- 16 countries, ~1500 members
- ~170 Petabyte of data!
Credits: Rodlophe Cledassou, CNES
Euclid Space Satellite
Localizado en el punto de Lagrange L2
Credits: Rodlophe Cledassou, CNES
VIS
Instrumento VIS:
- Medirá 1000 millones de galaxias en el espectro visible e infrarrojo.
- Con esto podemos medir los débiles lentes gravitacionales.
Credits: Rodlophe Cledassou, CNES
NISP: Near-Infrarred Spectrograph
Instrumento NISP:
- Medirá 100 millones de espectros de galaxias en el espectro infrarrojo.
- Con esto podemos medir las distancias y velocidades de las galaxias.
- Crear mapa 3D del Universo.
Credits: Rodlophe Cledassou, CNES
Euclid
https://www.esa.int/ESA/Our_Missions
Otros satélites de la ESA
Lentes Gravitacionales
Galaxy Clustering
BAO
Clustering
RSD
Spec-z
Euclid Collaboration, IST:Forecasts, arXiv: 1910.09273
Galaxy Clustering
Slides by: Dennis Linde
The Matter Power Spectrum
Current data:
Image: https://www.cosmos.esa.int/web/planck/picture-gallery
The Matter Power Spectrum
Euclid:
Scales from: ~ \(10^{-3}\) to \(10\) hMpc\(^{-1}\)
Euclid: IST:Forecasts
Awardees of the Euclid STAR Prize Team 2019
Euclid preparation: VII. Forecast validation for Euclid cosmological probes. arXiv:1910.09273
Euclid: IST:Forecasts
Euclid preparation: VII. Forecast validation for Euclid cosmological probes. arXiv:1910.09273
Neutrino constraints from Planck
Neutrino forecasts for Euclid
Plots by: Sabarish Sabarish Venkataramani
\Omega_m = 0.314 \pm 0.00086\\
\Omega_b = 0.049 \pm 0.0013 \\
h = 0.67 \pm 0.00108 \\
n_s = 0.966 \pm 0.00179\\
\sigma_8 = 0.81 \pm 0.00172\\
M_\nu = 0.06 \pm 0.0320\\
N_{\rm eff} = 3.044 \pm 0.151\\
Euclid Full:
GC spectro + 3x2pt photo
Code: CosmicFish
S.Casas and M.Martinelli
Gravedad Modificada y Energia Oscura
f(R) Hu-Sawicki model and degeneracies
\newcommand{\sg}{\ensuremath{\sigma_{8}}}
\newcommand{\de}{\mathrm{d}}
S = \frac{c^4}{16\pi G} \int{\de^4 x \sqrt{-g} \left[R+f(R)\right]}
- Degeneracy:
- Suppression from neutrinos
- Enhancement from fifth-force (modified G)
- Degeneracies can be broke by looking at non-gaussian terms beyond the Pk
More exotic models
More exotic models
The problem of non-linearities
- Euclid Likelihood Code: CLOE
- Baryonic physics
- N-body simulations
- Non-linear power spectrum
- Strong parameter biases
Text
Text
Conclusiones
- Euclid va a proveer una cantidad de datos sin precedentes en la cosmología.
- Gracias a sus imágenes detalladas y la determinación de distancias y posiciones, podemos hacer un mapa 4D del Universo (espacio y tiempo).
- Los neutrinos tienen importantes efectos en los observables cosmológicos
- La cosmología puede medir la masa absoluta del neutrino y los grados de libertad relativistas
- Muchos challenges en el modelaje no-linear
Muchas Gracias!!
Cosmologia de Neutrinos
By Santiago Casas
Cosmologia de Neutrinos
La misión espacial Euclid: En búsqueda de la energía oscura.
