Détermination de la masse des neutrinos cosmologiques avec les forêts Lyman-alpha

par Julien Baur

Thèse de doctorat en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Nathalie Palanque-Delabrouille.

Le président du jury était Hervé Dole.

Le jury était composé de Nathalie Palanque-Delabrouille, Hervé Dole, Françoise Combes, Sébastien Peirani.

Les rapporteurs étaient Françoise Combes, Alain Blanchard.


  • Résumé

    Les travaux présentés dans cette thèse contraignent la masse des neutrinos dans le contexte de 4 modèles de matière noire en utilisant le spectre de puissance du flux transmit dans les forêts Lyman-alpha des quasars distants. Les neutrinos laissent une emprunte sur les grandes structures dans l'Univers à travers l'échelle à laquelle ils diffusent, qui se manifeste comme un déficit de fluctuations de densité de matière sur des distances inversement proportionnelles à leur masse. De l'ordre de quelques Mpc, ces échelles peuvent être sondées par les forêts Ly-$alpha$ qui tracent la densité d'hydrogène neutre atomique suivant la ligne de visée du quasar en arrière-plan. J'utilise le spectre de puissance Ly-$alpha$ construit grâce à deux relevés de grandes structures:les $13,821$ spectres optiques de quasars basse-résolution de la 9ème publication des données du SDSS/BOSS à 12 redshifts de $langle z rangle = 2.2$ à $4.4$; ainsi que la centaine de spectres de quasar haute-résolution du relevé XQ-100 du VLT à $langle z rangle = 3.20, 3.56$ et $3.93$. Ces deux relevés nous permettent de sonder les échelles de $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ à $k leqslant 0.02$ et $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectivement.Modéliser le spectre de puissance Ly-$alpha$ nécessite résoudre le régime non-linéaire de formation des structure et modéliser le gaz inter-galactique dans les simulations cosmologiques hydrodynamiques destinées à cet effet. Je contrôle pour plusieurs incertitudes systématiques liées à ces simulations. Dans un premier temps, je quantifie la variance d'échantillonnage à l'aide de simulations tournées avec différentes conditions initiales. Dans un second temps, je teste la validité d'une méthode permettant de construire le spectre de puissance à partir de simulations plus petites et moins résolues. Pour ce, j'ai tourné une simulation évoluant $2 times 2048^3$ particules de matière noire et de baryons dans un covolume de $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$. Ce travail a permit à notre groupe d'améliorer les contraintes sur la masse des neutrinos de $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ établie précédemment à $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai ensuite tourné mes efforts vers l'implémentation de neutrinos stériles en tant qu'un candidat matière noire non-froide dans les simulations. En particulier, j'ai produit les contraintes les plus fortes (au moment de la publication) sur la masse des neutrinos stériles en tant que matière noire tiède: $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai étendu l'étude dans le contexte d'une matière noire mixte et contraint l'abondance relative de la composante tiède par rapport à la froide. Enfin, j'ai complété ce travail en permettant une résonance dans la production des neutrinos stériles, réduisant ainsi leur échelle caractéristique de diffusion et refroidissant la matière tiède qu'ils incorporent. A ce but, j'ai initié une collaboration avec une équipe de physiciens théoriques impliqués dans les recherches astrophysiques de ces neutrinos stériles dits produits par résonance dans des objets riches en matière noire. Notre jeune collaboration a établi les premières contraintes sur leur masse en utilisant le spectre de puissance Ly-$alpha$.

  • Titre traduit

    Determining the mass of cosmological neutrinos using Lyman-alpha forests


  • Résumé

    In the work presented in this thesis, I use the power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-alpha (Ly-$alpha$) forest of distant quasars to constrain the mass of cosmological neutrinos in the context of four seperate projects. Neutrinos leave a signature imprint on large scale structures in the Universe through their free-streaming, which manifests as a deficit of matter density fluctuations on typical length scales that are inversely proportional to their rest mass. This typical free-streeming scale, of order a few Mpc, can be probed by Ly-$alpha$ forests which are imprints of the neutral atomic Hydrogen density along the background quasar's line-of-sight. I use the Ly-$alpha$ flux power spectrum from mainly two large scale structure surveys: the $13,821$ low-resolution quasar spectra from the ninth data release of SDSS (BOSS) in 12 redshift bins from $langle z rangle = 2.2$ to $4.4$; and the $100$ high-resolution quasar spectra from the XQ-100 survey (of the VLT's XShooter spectrograph) in 3 redshift bins, $langle z rangle = 3.20, 3.56$ and $3.93$. This enables us to probe scales from $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ to $k leqslant 0.02$ and $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectively.Modeling the flux power spectrum requires solving the non-linear regime of structure formation and the intergalactic gas in the cosmological hydrodynamics simulations that are used to that effect. I controlled for several of many systematic uncertainties related to the simulations. First, I ran simulations with different initial conditions to quantify the sampling variance. I then tested the accuracy of a splicing technique that we use to construct the flux power spectrum from lower size and lower resolution simulations. This required producing a complete run of a $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$ comoving cube containing $2 times 2048^3$ dark matter particles and baryons. This enabled our working group to enhance the previously established constraints on the sum of neutrino masses from $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ to the most stringent constraint to date $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ with $95%$ confidence. I then worked on implementing right-handed neutrinos in non-cold dark matter cosmological frameworks. A substancial amount of work has gone into applying plausible initial conditions that would accurately model the free-streaming effect of these types of particles. I put the most stringest constraints (at the time of publication) on the mass of non-resonantly produced sterile neutrinos as pure warm dark matter candidates, $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ at $95%$ confidence. I extended this investigation into a mixed warm plus cold dark matter cosmology. Finally, I implement right-handed neutrinos produced in presence of a lepton asymmetry which boosts their production and lowers their free-streaming scale. I started a collaboration with a team of theoretical physicists involved in searching for astrophysical evidence for the existance of such resonantly-produced right-handed neutrinos in dark matter rich systems. Our new-born collaboration has enabled the first ever constraints on their mass using the Ly-$alpha$ forest power spectrum.


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