轻子不对称性与辐射能量密度的限制：对 PLANCK 的启示

利用现有的大部分宇宙微波背景辐射（CMB）和大尺度结构（LSS）测量数据，以及大爆炸核合成（BBN）对原初氦丰度 $Y_p$ 的限制，我们对宇宙的辐射含量和中微子性质设定了界限。我们考虑了由中微子简并参数 $\xi_{\nu}$ 参数化的轻子不对称宇宙学模型，以及由于 BBN 与结构形成时期之间可能发生的其他物理过程导致的相对论自由度变化 $\Delta N_{oth}^{eff}$。我们发现，当前的 CMB 和 LSS 数据将中微子简并参数限制在 $\xi_{\nu} \leq 0.722$，这意味着中微子背景的轻子不对称性 ${\cal L}_{\nu} \leq 0.614$ ($2-\sigma$)。我们还发现 $\Delta N^{eff}_{oth}=0.572^{+1.972}_{-1.780}$，对有效相对论中微子物种数 $N^{eff}$ 的贡献为 $3.058^{+1.971}_{-1.178}$，原初氦丰度 $Y_p=0.249^{+0.014}_{-0.016}$ ($2-\sigma$ 误差)。这些结果相较于使用 WMAP~1 年及更早期的 LSS 数据，或仅使用 WMAP~3 年数据并结合标准原初氦丰度值 $Y_p=0.24$ 所得的类似结果有了重要改进，放松了对中微子简并参数的严格 BBN 限制（$\xi_{\nu} \leq 0.07$）。我们预测，未来 Planck 任务以高角分辨率和高灵敏度观测到的 CMB 温度和偏振图，将在 $Y_p=0.247 \pm 0.002$ ($2-\sigma$ 误差) 处限制原初氦丰度，这与 BBN 给出的最严格 $Y_p$ 限制一致，并将中微子简并参数限制在 $\xi_{\nu} \leq 0.280$ ($2-\sigma$)，同时不排除存在更大轻子不对称性的可能性。本工作代表 Planck-LFI 活动完成。