Planck 卫星之后对秘密中微子相互作用的限制

(摘要删节) 超出标准模型的中微子相互作用可能会影响宇宙演化，并可通过观测加以限制。我们考虑了中微子拥有由未知的自发破缺全局 $U(1)$ 对称性的 Nambu-Goldstone 玻色子介导的秘密标量或赝标量相互作用的可能性，例如在 Majoron 模型中。在此类情景下，中微子仍在 $T\simeq 1$ MeV 时退耦，但在宇宙演化的后期阶段会再次紧密耦合（“再耦合”）。我们利用可用的宇宙微波背景 (CMB) 各向异性观测数据，包括 Planck 2013 和联合 BICEP2/Planck 2015 数据，推导了对参数 $\gamma_{\nu \nu}^4$ 的限制，该参数表征了由 (赝) 标量相互作用引起的中微子碰撞率。我们既考虑了标准 $\Lambda$CDM 模型的最小扩展，也考虑了包含额外相对论性物种或非零张量模式的情景。我们发现典型的限制为 $\gamma_{\nu \nu}^4 < 0.9\times 10^{-27}$ (95% 置信水平)，这意味着中微子再耦合的红移 $z_{rec}$ 上限 $< 8500$。在 Majoron 模型框架下，$\gamma_{\nu \nu}$ 的上限大致转化为对 Majoron-中微子耦合常数 $g$ 的限制 $g < 8.2\times 10^{-7}$。总体而言，数据显示出对非零 $\gamma_{\nu \nu}^4$ 值的微弱 ($\sim 1\sigma$) 但有趣的偏好，最佳拟合值范围在 $\gamma_{\nu \nu}^4 = (0.15 - 0.35)\times 10^{-27}$ 之间，具体取决于所使用的数据集。当包含 ACT 和 SPT 的观测数据，或考虑非零张量模式的可能性时，这种偏好更为明显。特别是，对于最小模型 $\Lambda$CDM +$\gamma_{\nu \nu}$ 并包含 Planck 2013、ACT 和 SPT 数据，我们在 68% 置信水平下报告 $\gamma_{\nu \nu}^4=( 0.45^{+0.15}_{-0.38} )\times10^{-27}$ ($200 < z_{rec} < 5700$)。