$\Delta N_{\rm eff}$ 中重力介导暗辐射的 CMB 信号

CMB (Cosmic Microwave Background) 观测中的 $N_{\rm eff}$ 测量，如 Planck 2018 和 BBN (Big Bang Nucleosynthesis)，已经对超标准模型 (BSM) 中轻粒子的相互作用强度施加了严格约束。尽管这些 BSM 粒子与可见介质的耦合极弱，但它们不可避免地通过引力介导过程在早期宇宙中产生。如果光粒子浓度在 CMB 形成时仍较大，它们可能作为暗辐射 (DR) 贡献到 CMB 时代的 $N_{\rm eff}$。本文在有效场论 (EFT) 框架下研究通过引力介导散射产生此类轻 BSM 粒子的机制，假设 BSM 粒子的所有非引力耦合均可忽略。由于产生过程对产生粒子的自旋敏感，我们分别对两种典型情形进行具体分析：标量暗希克斯 DR 和矢量暗光子 DR。利用 Planck 2018 观测，我们给出对再热温度 ($T_{\rm RH}$) 和再热背景方程状态 ($w_\Phi$) 的约束。也讨论了通过引力介导产生 Dirac 右手中微子 ($\nu_R$) 和轻类轴子 (ALP) 的情况。最后，我们分析了通过由一般自旋-2 介质介导的生产情形，给出以有效尺度 $\Lambda$ 划分的参数空间，该参数空间已被 Planck-2018 排除，或可被未来 CMB 实验（如 LiteBird、Simon Observatory、CMB-S4、CMB-HD）探测。