中微子质量与寿命的宇宙学限制

目前对 $\sum m_{\nu}$（中微子质量之和）的最强上限来自宇宙学测量。然而，该束缚假设中微子在宇宙时间尺度上是稳定的，若中微子寿命小于宇宙年龄则不成立。在本文中，我们探讨了中微子在宇宙年龄量级的时间尺度上衰变为不可见暗辐射的理论的宇宙学信号，并确定了该情形下中微子质量之和的束缚。我们聚焦于中微子在非相对论性之后衰变的情况。我们推导了不稳定中微子情形下密度扰动宇宙学演化的玻尔兹曼方程，并数值求解以确定其对物质功率谱和宇宙微波背景透镜的影响。我们发现结果可以用简单的解析理解。然后我们利用这些结果基于当前数据进行蒙特卡洛分析，以确定中微子质量之和随中微子寿命变化的限制。我们表明，在衰变中微子情形下，数据仍允许 $\sum m_{\nu}$ 高达 0.9 eV 的值。我们的结果对旨在探测中微子质量的实验室实验（如 KATRIN 和 KamLAND-ZEN）具有重要启示。