大爆炸核合成对亲中微子超轻暗物质的限制

早期宇宙中的高密度为约束弱相互作用粒子（如暗物质和中微子）之间的耦合提供了一个独特的实验室。在本文中，我们研究了大爆炸核合成如何约束与中微子对角耦合的超轻暗物质模型。我们遵循一种绝热形式，该形式允许平均掉暗物质场的快速振荡，并一致地考虑中微子场与暗物质场之间的反馈。这种反馈改变了早期宇宙的动力学，导致暗物质能量密度按辐射标度，而中微子质量按$a^{-1}$标度。这两个效应通过改变核合成过程中的相互作用速率和膨胀速率来修改原始元素丰度。然后，我们利用原始丰度获得了在$m_\phi/{\rm eV}\in (10^{-22},10^{-17})$范围内对耦合的领先宇宙学界限，即对于$m_\phi \gtrsim 3\times 10^{-20}\,\rm eV$，$g\lesssim 0.13(m_\phi/{\rm eV})$；对于$m_\phi \lesssim 3\times 10^{-20}\,\rm eV$，$g\lesssim 1.8\times 10^{-11}\sqrt{m_\phi/\rm eV}$。这种一致的宇宙学处理强调，在其物理假设成立的质量区间内，中微子质量不能通过与超轻暗物质场的直接耦合以折射方式产生。