Understanding neutrino mass constraints from galaxy clustering and CMB lensing

This thesis is the result of a long endeavour to bring new perspectives and insights to the challenge of extracting strong and robust neutrino mass constraints from current and future cosmological measurements. Although cosmology provides the strongest constraints on the neutrino mass today and will likely continue to into the foreseeable future, ensuring that these constraints are robust enough to also convince scientists outside of the cosmology community must be a crucial priority. The vast majority of current or forecasted cosmological neutrino mass constraints in the literature assume the concordance flat Lambda-CDM model when extracting their results. Despite its many successes, the Lambda-CDM model is not without challenges, both theoretical and observational. It is important that any changes that are made to this model in future do not significantly alter our neutrino mass measurements. The goal of our work has been to understand the significance of this cosmological assumption, to understand possible degeneracies between the neutrino mass and other cosmological parameters, and to examine how much we can really claim about the capacity of cosmological measurements to measure the neutrino mass. We take a semi-analytical approach, using the Fisher matrix formalism. In Chapter 2, we thoroughly deconstruct the constraints on the neutrino mass available from future galaxy redshift surveys. Galaxy clustering measurements are sensitive to massive neutrinos in many ways. We provide isolated constraints from expansion rate measurements provided by baryon-acoustic oscillations (BAOs) and the Alcock-Paczy\'nski test. We also demonstrate the constraining power of redshift-space distortions (RSD). We develop a new method of isolating the characteristic scale-dependent suppression in the power spectrum as a probe of the neutrino mass, and show that the constraints it provides are both cosmology-independent and relatively powerful. We show that all of the other individual probes of the neutrino mass and the combined constraints are strongly cosmology-dependent. In addition, although it was already known that there is a degeneracy between the neutrino mass and the optical depth to reionisation (tau) in cosmological measurements, we explain clearly the origin of this degeneracy clearly for the first time. In Chapter 3, we extend our study to include forecasted information from future cosmic microwave background (CMB) experiments, including improved E-mode polarisation and CMB lensing measurements. We show that adding optimal primary anisotropy information to our free-streaming constraints strengthens them significantly while still keeping them cosmology-independent. We also show that free-streaming signals in the CMB lensing and galaxy-CMB lensing power spectra can also be isolated to improve free-streaming constraints further. Finally, we show that combined and BAO-only neutrino mass constraints remain strongly cosmology-dependent even when combined with future state-of-the-art CMB measurements. In Chapters 2 and 3, we work exclusively with linear power spectra, which could arguably become invalid on some of the scales we consider. In Chapter 4, we extend our analysis for both galaxy clustering and CMB lensing to make use of next-to-leading-order power spectra. Including next-to-leading-order contributions enhances the free-streaming signature in the power spectrum. However, the large number of additional nuisance parameters in the galaxy power spectrum mean that the final constraints are still somewhat weaker than in the linear case. But most of the qualitative results of the previous chapters hold true, and the free-streaming constraints remain the only cosmology-independent probe of the neutrino mass.Diese Arbeit ist das Ergebnis eines langen Unterfangens, neue Perspektiven und Erkenntnisse für die Herausforderung der Extraktion starker und robuster Neutrinomassenbeschränkungen aus aktuellen und zukünftigen kosmologischen Messungen zu gewinnen. Obwohl die Kosmologie heute die stärksten Einschränkungen für die Neutrinomasse bietet und wahrscheinlich auch weiterhin wird, muss eine entscheidende Priorität sein sicherzustellen, dass diese Beschränkungen für absehbarer Zeit robust genug sind, um auch Wissenschaftler außerhalb der Kosmologie zu überzeugen. Die überwiegende Mehrheit der aktuellen oder prognostizierten kosmologischen Neutrinomassenbeschränkungen in der Literatur gehen bei der Erlangung ihrer Ergebnisse vom konkordanten flachen Lambda-CDM-Modell aus. Trotz der vielen Erfolge ist das Lambda-CDM-Modell nicht ohne Herausforderungen, sowohl theoretischer als auch beobachtbarer Natur. Es ist wichtig, dass alle änderungen, die in Zukunft mit diesem Modell erlangt werden, unsere Neutrinomassenmessungen nicht wesentlich ändern. Das Ziel unserer Arbeit war es, die Bedeutung dieser kosmologischen Annahme zu verstehen, mögliche Entartungen zwischen der Neutrinomasse und anderen kosmologischen Parametern zu verstehen und zu untersuchen, wie viel wir wirklich über die Fähigkeit kosmologischer Messungen zur Messung der Neutrinomasse aussagen können. Wir verfolgen einen semi-analytischen Ansatz unter Verwendung des Fisher-Matrix-Formalismus. In Kapitel 2 dekonstruieren wir gründlich die Beschränkungen der Neutrinomasse, die bei zukünftigen Galaxie-Rotverschiebungsdurchmusterungen zu erlangen sind. Galaxie-Clustering-Messungen reagieren in vielerlei Hinsicht empfindlich auf massive Neutrinos. Wir bieten isolierte Schranken aus Expansionsratenmessungen durch baryonakustische Schwingungen (BAOs) und den Alcock-Paczyński-Test. Wir zeigen auch die einschränkende Wirkung von Redshift-Raumverzerrungen (RSD). Wir entwickeln eine neue Methode zur Isolierung der charakteristischen skalenabhängigen Unterdrückung im Leistungsspektrum als Sonde der Neutrinomasse und zeigen, dass die damit verbundenen Schranken sowohl kosmologieunabhängig als auch relativ stark sind. Wir zeigen, dass alle anderen Einzelproben der Neutrinomasse und der kombinierten Randbedingungen stark kosmologieabhängig sind. Obwohl bereits bekannt war, dass es in kosmologischen Messungen eine Entartung zwischen der Neutrinomasse und der optischen Tiefe zur Reionisation (tau) gibt, erklären wir erstmals deutlich den Ursprung dieser Entartung. In Kapitel 3 erweitern wir unsere Studie um prognostizierte Informationen aus zukünftigen CMB-Experimenten (Cosmic Microwave Background, kosmischer Mikrowellenhintergrund), einschließlich verbesserter E-Moden-Polarisations- und CMB-Gravitationlinsenmessungen. Wir zeigen, dass das Hinzufügen optimaler primärer Anisotropieinformationen zu unseren Freiströmungsbeschränkungen die Neutrinomassenbeschränkungen signifikant verstärkt und gleichzeitig kosmologieunabhängig hält. Wir zeigen auch, dass Freiströmungssignale in den Leistungsspektren der CMB-Gravitationlinsenmessungen und der Galaxie-CMB-Gravitationlinsenmessungen auch isoliert werden können, um die Einschränkungen der Freiströmung weiter zu verbessern. Schließlich zeigen wir, dass kombinierte und reine BAO-Neutrinomassenbeschränkungen auch in Kombination mit zukünftigen modernsten CMB-Messungen stark kosmologieabhängig bleiben. In den Kapiteln 2 und 3 arbeiten wir ausschließlich mit linearen Leistungsspektren, die auf einigen der von uns betrachteten Skalen wohl ungültig werden könnten. In Kapitel 4 erweitern wir unsere Analyse sowohl für Galaxienhaufen als auch für CMB-Linsen, um die Leistungsspektren der nächst höheren Ordnung zu nutzen. Die Einbeziehung von Beiträgen der zweitwichtigsten Ordnung verbessert die Freiströmungssignatur im Leistungsspektrum. Durch die Vielzahl zusätzlicher Störparameter im Leistungsspektrum sind die schlussendlichen Schranken jedoch noch etwas schwächer als im linearen Fall. Aber die meisten qualitativen Ergebnisse der vorangegangenen Kapitel bleiben weiterhin gültig, und die Freiströmungsschranken bleiben der einzige kosmologieunabhängige Test der Neutrino-Masse