CMB 对轻赝标量粒子质量与耦合常数的限制

本文考虑了大爆炸核合成后纪元 CMB 光子向轻赝标量粒子的转化。利用当前大尺度磁场的数值来估算早期宇宙纪元的磁场，计算了计及宇宙等离子体中相干性破坏的光子向轻赝标量粒子振荡的概率。要求光子转化不会导致过大的 CMB 谱畸变和温度各向异性，我们得到了轴子类粒子与光子的耦合常数限制：$g_{\phi\gamma} B \lesssim (10^{-15} - 10^{-12}) \textrm{nG}\times \textrm{GeV}^{-1}$，对应的轴子类粒子质量区间为 $10^{-25}$ eV $\lesssim m_{\phi}\lesssim 10^{-5}$ eV，其中 $B$ 为当前时刻大尺度磁场的强度。由于我们使用了密度矩阵形式，其对于描述具有显著相干性破坏的振荡比波函数近似更为精确，因此我们的结果更新了此前获得的结果。在轴子类粒子质量范围 $10^{-25}$ eV $\lesssim m_{\phi}\lesssim 10^{-14}$ eV 内，与波函数近似相比，获得了至少弱 2 个数量级的限制 $g_{\phi\gamma} B \lesssim 10^{-11}\textrm{nG}\times \textrm{GeV}^{-1}$。另一方面，在质量范围 $10^{-14}$ eV $\lesssim m_{\phi}\lesssim 10^{-5}$ eV 内，获得的限制则强了一个数量级以上。我们的结果是利用 COBE 发现的谱畸变参数 $\mu$ 和温度各向异性 $\Delta T/T$ 的上限，以及 PIXIE/PRISM 的预期灵敏度推导得出的。