中微子与轻媒介子自相互作用的宇宙学约束

如果活性中微子经历非标准（“隐秘”）相互作用（NS$\nu$I），中微子流体的宇宙学演化可能会被改变，并在宇宙学可观测量中留下印记。我们使用 Planck 最新公开可用的 CMB 数据，在隐秘相互作用的媒介子 $\phi$ 非常轻的假设下，约束诱导 $\nu-\nu$ 散射的 NS$\nu$I。我们发现相互作用的有效耦合常数 $g_\mathrm{eff}^4 \equiv \langle \sigma v\rangle T_\nu^2$ 被限制在 $< 2.35\times10^{-27}$（95% 可信区间），当考虑 Planck 非基线小尺度偏振时，该约束加强为 $g_\mathrm{eff}^4 < 1.64\times10^{-27}$。我们的发现意味着在 $T\simeq 1$ MeV 退耦后，宇宙学中微子在红移 $z>3800$ 处为自由流动，若包含小尺度偏振则为 $z>2300$。当在分析中加入几何膨胀探针数据以补充 Planck 时，这些界限仅略有改善。我们还发现 CMB 与低红移对膨胀率 $H_0$ 和物质涨落幅度 $\sigma_8$ 的测量之间的张力并未显著减小。只要 $\phi$ 非常轻，我们的结果就与底层粒子物理模型无关。考虑一个具有马约拉纳中微子和赝标量媒介子的模型，我们发现隐秘相互作用的耦合常数 $g$ 被限制在 $\lesssim 7\times 10^{-7}$。进一步假设赝标量相互作用来自见素机制（see-saw）的动力学实现，如在 Majoron 模型中那样，我们可以将轻子数破缺尺度 $v_\sigma$ 限制为 $\gtrsim (1.4\times 10^{6})m_\nu$。