BBN 与 CMB 对耦合中微子的轻 WIMP 的约束

(摘要节选) 在存在轻 WIMP（质量 $m_\chi < 30$ MeV）的情况下，WIMP 的性质、其与标准模型粒子的耦合、其质量以及等效（额外）中微子数 $\Delta N_\nu$ 之间存在简并性。这些简并性无法仅通过有效中微子数 $N_{\rm eff}$ 的 CMB 约束来打破。然而，由于大爆炸核合成 (BBN) 也受到轻 WIMP 和等效中微子的影响，互补的 BBN 和 CMB 约束可以打破部分简并性。在先前的一篇论文中，结合 BBN 和 CMB 探讨了通过电磁 (EM) 湮灭为光子和/或电子/正电子的轻 WIMP 的 $m_\chi$、$\Delta N_\nu$ 和 $N_{\rm eff}$ 的允许范围。本文计算了仅耦合到中微子的轻 WIMP 的 BBN 预测值。利用近期观测到的 $^2$H 和 $^4$He 丰度来限制 $m_\chi$、$\Delta N_\nu$、$N_{\rm eff}$ 以及当前的重子密度。在允许存在耦合中微子的轻 WIMP 和非零 $\Delta N_\nu$ 的情况下，结合的 BBN 和 CMB 数据给出了 $m_\chi$ 的下限，最佳拟合值为 $m_\chi > 35$ MeV，相当于不存在轻 WIMP。所有低于 4--9 MeV 的质量（取决于自旋）均被排除。若不存在任何轻 WIMP，仅 BBN 倾向于 $\Delta N_\nu = 0.50 \pm 0.23$，既不支持 $\Delta N_\nu = 0$，也不支持完全热化的 sterile 中微子 ($\Delta N_\nu = 1$)。这一结果与 CMB 约束 $N_{\rm eff} = 3.30 \pm 0.27$ 一致，限制了 BBN 与复合时期之间的“新物理”。结合 BBN 和 CMB 数据得到 $\Delta N_\nu = 0.35 \pm 0.16$ 和 $N_{\rm eff} = 3.40 \pm 0.16$；虽然 BBN 和 CMB 的结合要求在约 98% 的置信水平下 $\Delta N_\nu > 0$但它们在大于 99% 的置信水平下不支持 $\Delta N_\nu > 1$。允许存在耦合中微子的轻 WIMP 会略微向下扩展 $\Delta N_\nu$ 的允许范围，同时略微向上扩展 $N_{\rm eff}$ 的允许范围，而最佳拟合值保持不变。