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Deep learning for cosmological parameter inference from a dark matter halo density field
Physical Review D ( IF 4.6 ) Pub Date : 2024-09-16 , DOI: 10.1103/physrevd.110.063531 Zhiwei Min, Xu Xiao, Jiacheng Ding, Liang Xiao, Jie Jiang, Donglin Wu, Qiufan Lin, Yang Wang, Shuai Liu, Zhixin Chen, Xiangru Li, Jinqu Zhang, Le Zhang, Xiao-Dong Li
Physical Review D ( IF 4.6 ) Pub Date : 2024-09-16 , DOI: 10.1103/physrevd.110.063531 Zhiwei Min, Xu Xiao, Jiacheng Ding, Liang Xiao, Jie Jiang, Donglin Wu, Qiufan Lin, Yang Wang, Shuai Liu, Zhixin Chen, Xiangru Li, Jinqu Zhang, Le Zhang, Xiao-Dong Li
We propose a lightweight deep convolutional neural network (lCNN) to estimate cosmological parameters from simulated three-dimensional dark matter (DM) halo distributions and associated statistics. The training dataset comprises 2000 realizations of a cubic box with a side length of and interpolated over a cubic grid of voxels, with each simulation produced using DM particles and neutrinos. Under the flat model, simulations vary standard six cosmological parameters including , , , , , and , along with the neutrino mass sum . We find that (i) within the framework of lCNN, extracting large-scale structure information is more efficient from the halo density field compared to relying on the statistical quantities including the power spectrum, the two-point correlation function, and the coefficients from wavelet scattering transform; (ii) combining the halo density field with its Fourier-transformed counterpart enhances predictions, while augmenting the training dataset with measured statistics further improves performance; (iii) achieving high accuracy in inferring , , and by the neural network model, while being inefficient in predicting , , , and ; and (iv) compared to the simple fully connected network trained with three statistical quantities, our CNN yields statistically reduced errors, showing improvements of approximately 23% for , 11% for , 8% for , and 21% for . Additionally, in comparison with the likelihood-based analysis on data, our CNN provides much tighter constraints on parameters, especially on and . Our study emphasizes this lCNN-based novel approach in extracting large-scale structure information and estimating cosmological parameters.
中文翻译:
从暗物质晕密度场推断宇宙学参数的深度学习
我们建议使用 lig t 埃格 t 深度卷积神经网络 ork (lCNN) 从模拟 t 估计宇宙学参数 瑞德一毛钱 离子暗物质 (DM) 晕分布 及相关统计数据。训练数据集包含 2000 个实现 一个边长为的立方体盒子 并在立方网格上进行插值 体素,每个模拟都是使用 DM 颗粒和 中微子。公寓下 模型、模拟会改变标准的六个宇宙学参数,包括 , ,h,ns, 、w 以及中微子质量和 。我们发现(i)在lCNN的框架内,与依赖功率谱、两点相关函数和小波系数等统计量相比,从晕密度场提取大规模结构信息更有效散射变换; (ii) 将光环密度场与其傅立叶变换对应项相结合可增强预测,同时用测量的统计数据扩充训练数据集可进一步提高性能; (iii) 实现高精度的推断 , 手 通过神经网络模型,但预测效率低下 , 纳秒, 、 和 w; (iv) 与使用三个统计量训练的简单全连接网络相比,我们的 CNN 在统计上减少了错误,显示出约 23% 的改进 ,h 为 11%,ns 为 8%,以及 21% 。 此外,与基于可能性的分析相比 数据,我们的 CNN 对参数提供了更严格的约束,尤其是 和 。我们的研究强调了这种基于 lCNN 的新颖方法来提取大规模结构信息和估计宇宙学参数。
更新日期:2024-09-16
中文翻译:
从暗物质晕密度场推断宇宙学参数的深度学习
我们建议使用 lig t 埃格 t 深度卷积神经网络 ork (lCNN) 从模拟 t 估计宇宙学参数 瑞德一毛钱 离子暗物质 (DM) 晕分布 及相关统计数据。训练数据集包含 2000 个实现 一个边长为的立方体盒子 并在立方网格上进行插值 体素,每个模拟都是使用 DM 颗粒和 中微子。公寓下 模型、模拟会改变标准的六个宇宙学参数,包括 , ,h,ns, 、w 以及中微子质量和 。我们发现(i)在lCNN的框架内,与依赖功率谱、两点相关函数和小波系数等统计量相比,从晕密度场提取大规模结构信息更有效散射变换; (ii) 将光环密度场与其傅立叶变换对应项相结合可增强预测,同时用测量的统计数据扩充训练数据集可进一步提高性能; (iii) 实现高精度的推断 , 手 通过神经网络模型,但预测效率低下 , 纳秒, 、 和 w; (iv) 与使用三个统计量训练的简单全连接网络相比,我们的 CNN 在统计上减少了错误,显示出约 23% 的改进 ,h 为 11%,ns 为 8%,以及 21% 。 此外,与基于可能性的分析相比 数据,我们的 CNN 对参数提供了更严格的约束,尤其是 和 。我们的研究强调了这种基于 lCNN 的新颖方法来提取大规模结构信息和估计宇宙学参数。