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!!