Neutrinos et Perturbations Cosmologiques Réunion du GDR neutrino IPN, 14 juin 2005 Julien Lesgourgues (LAPTH, Annecy) collaborations avec Sergio Pastor (U. Valencia) +Patrick Crotty (LAPTH) +Laurence Perotto (APC, CdF)

Smn < 0.6 eV à 95% de confiance cosmologie  meilleure contrainte actuelle sur l’échelle absolue de masse: Smn < 0.6 eV à 95% de confiance futur prometteur: sensibilité s ~ 0.03 eV Principe? Limites?

OBSERVATIONS (CMB, galaxy surveys, Ly-a, weak lensing) Modèle cosmologique spectre des anisotropies du CMB (température, polarisation) spectre de puissance lineaire de la matière OBSERVATIONS (CMB, galaxy surveys, Ly-a, weak lensing)

impact du fond de neutrinos ?? Modèle cosmologique spectre des anisotropies du CMB (température, polarisation) spectre de puissance lineaire de la matière OBSERVATIONS (CMB, galaxy surveys, Ly-a, weak lensing)

Le fond cosmologique de neutrinos thermalisation avant le découplage, Tdec(νe)  2.3 MeV puis absence de collisions : Tdec(νμ,τ)  3.5 MeV fn = [ep/T+1]-1 régime relativiste : <p>= 3 kB Tn >> c mn rn = Nn (7/8) (p2/30) Tn4  a-4 Nn = 3.04 Tn = (4/11)1/3 Tg régime non-relativiste : rn = Si mni nni =(Si mni) nn  a-3 Mangano et al. 02

Impact cosmologique du fond de neutrinos interaction gravitationnelle entre n et autres espèces impact au niveau: du fond homogène des perturbations

… au niveau du fond homogène: masse  moment de l’égalité  spectres de puissance effet ~ Wn ~ (Smn) / (50 eV) ln a ln r BBN n <p>=3kBTn=mn rn  NnTn4 rn  (Si mni) Tn3 total (H0 , k) L CDM & b g (Tg) égalité aujourd’hui

… au niveau des perturbations: diffusion libre (free-streaming) des neutrinos

… au niveau des perturbations: baryon et CDM en effondrement gravitationnel

… au niveau des perturbations: baryon et CDM en effondrement gravitationnel Neutrinos <v>=c ou <p>/m

… au niveau des perturbations: baryon et CDM en effondrement gravitationnel Neutrinos <v>=c ou <p>/m effacement des surdensités: effectif en-dessous d’une longueur d’onde caractéristique donnée par <v> efficacité augmente avec la masse ~ (Smn) / (1 eV) (attraction de baryons/CDM hors des puits)

Effect total + mesure de Smn changement de Wn free-streaming CMB grandes structures mesure de Smn (Wn+ WL fixés, Wn ~ 0.02, S mn ~ 0.9 eV)

Comment observer le spectre de puissance de la matière? catalogues de galaxies  dr/r(x)  spectre de puissance Percival et al. 02 linéaire non-linéaire dr/r<1 dr/r ~ 1 60 Mpc biais matière/luminosité .… coordonnées 3D de galaxies

Comment observer le spectre de puissance de la matière? forêt Lyman-a dans le spectre des quasars principe : Lyman-a absorption by neutral hydrogen at different z (local density, T)

Comment observer le spectre de puissance de la matière? lentillage faible des galaxies (… et du CMB!) expected power spectrum of deflection field from sources at z ~ 0.2, 0.6, … 3.0 (error for LSST) from sources at z ~ 1100 (CMB) (error for CMBpol) linear

Limites actuelles sur l’échelle de masse Cosmologie écran suivant… Tritium beta decay < 2.3 eV Neutrinoless double beta decay < 0.3-1.2 eV KATRIN: 0.2 eV ?? (2s) dep. des phases CP, Dirac/Majorana

Limites actuelles sur l’échelle de masse PAS DE « LIMITE COSMOLOGIQUE » UNIQUE !!! dépend de l’ensemble de données considéré dépend du modèle cosmologique sous-jacent

Limites actuelles Σmν (eV) at 95%CL données utilisées pour scénario minimal à 3-n : modèle à 7 paramètres Σmν (eV) at 95%CL données utilisées SDSS Coll. PRD 69 (2004) 103501 < 1.8 WMAP, SDSS Hannestad JCAP 0305 (2003) 004 < 1.01 WMAP, other CMB, 2dF, HST Crotty, JL & Pastor PRD 69 (2004) 123007 < 0.6 WMAP, other CMB, 2dF, SDSS, HST WMAP Coll. ApJ Suppl 148 (2003) 17 < 0.7 + biais Seljak et al. astro-ph/0407372 < 0.42 + biais , Ly-α from SDSS

Limites actuelles Σmν (eV) at 95%CL données utilisées pour scénario minimal à 3-n : modèle à 7 paramètres Σmν (eV) at 95%CL données utilisées SDSS Coll. PRD 69 (2004) 103501 < 1.8 WMAP, SDSS Hannestad JCAP 0305 (2003) 004 < 1.01 WMAP, other CMB, 2dF, HST Crotty, JL & Pastor PRD 69 (2004) 123007 < 0.6 WMAP, other CMB, 2dF, SDSS, HST WMAP Coll. ApJ Suppl 148 (2003) 17 < 0.7 + bias Seljak et al. astro-ph/0407372 < 0.42 + bias , Ly-α from SDSS paramètres supplémentaires dégénérescences limite croît d’un facteur < 2 (e.g. radiation supplémentaire, tilt running,…)

Perspectives future CMB + weak lensing Planck + completed SDSS maintenant