具有自相互作用 sterile 中微子的宇宙学约束

在这项工作中，我们重新审视了在存在由重规范玻色子介导的 sterile 中微子间自相互作用的情况下，宇宙学是否能与轻 sterile 中微子情景相容的问题，后者被援引以解释短基线（SBL）反常。我们通过推导该模型在广泛模型参数范围内的宇宙学预言来检验这一提议，参数包括有效相互作用强度 $G_X$、sterile 中微子质量 $m_{\rm st}$ 以及 active-sterile 混合。据此，我们对来自 BBN、CMB 和 BAO 数据的宇宙学数据进行了统计分析，以推断 sterile 自相互作用模型参数的后验概率。BBN 主要提供关于有效相互作用强度的信息，我们发现 $\log_{10}(G_X/G_F)\geq 3.6$ 能在 95% 置信水平下描述原初丰度。我们对 CMB 和 BAO 数据的分析表明，当对 sterile 中微子质量采用宽泛先验时，其后验在仅考虑 CMB 数据时被限制为 $m_{\rm st}\leq 0.91~{\rm eV}$（95% 置信水平），而在加入 BAO 信息时为 $m_{\rm st}\leq 0.37~{\rm eV}$（95% 置信水平）。因此，与非自相互作用 sterile 中微子模型相比，质量界限略有放宽，但 1 eV 的 sterile 中微子质量仍在超过 $2\sigma$ 置信水平下被排除。反之，若将 sterile 中微子质量和混合固定为短基线数据所偏好的值，我们发现尽管仅 CMB 数据支持自相互作用情景，但加入 BAO 信息会严重削弱与模型的一致性。总之我们得出结论：加入自相互作用可以缓解 eV 级 sterile 中微子与 CMB 数据之间的张力，但当同时纳入 BAO 结果时，自相互作用 sterile 中微子模型无法对数据给出令人满意的描述。