大爆炸核合成期间粒子衰变产生的暗辐射

宇宙微波背景（CMB）观测表明可能存在额外的暗辐射成分，而当前来自大爆炸核合成（BBN）的证据则更为模糊。来自衰变粒子的暗辐射会对这两个过程产生不同的影响。早期衰变会向 CMB 和 BBN 都增加额外的辐射成分，而晚期衰变可以改变 CMB 中观测到的辐射含量，同时对 BBN 的影响可忽略不计。在此，我们通过考察在 BBN 期间衰变的粒子（即粒子寿命 $\tau_X$ 满足 $0.1 \text{ sec} < \tau_X < 1000 \text{ sec}$）来量化这种差异并探索中间区域。我们计算了由 CMB 测量的中微子有效种类数 $N_{eff}$ 的变化量 $\Delta N_{CMB}$，以及由 BBN 测量的中微子有效种类数的变化量 $\Delta N_{BBN}$，它们都是衰变粒子初始能量密度和寿命的函数，其中 $\Delta N_{BBN}$ 定义为产生与我们的衰变粒子相同的原始氦 -4 丰度变化所需的额外双组分中微子数量。正如预期，对于短寿命（$\tau_X < 0.1 \text{ sec}$），粒子在 BBN 开始前衰变，且 $\Delta N_{CMB} = \Delta N_{BBN}$；而对于长寿命（$\tau_X > 1000 \text{ sec}$），$\Delta N_{BBN}$ 主要由衰变前非相对论粒子的能量密度主导，因此 $\Delta N_{BBN}$ 保持非零并变得与粒子寿命无关。通过改变粒子能量密度和寿命，可以获得 $\Delta N_{BBN}$ 和 $\Delta N_{CMB}$ 的任何期望组合，但需满足 $\Delta N_{CMB} \ge \Delta N_{BBN}$ 的约束。我们提出了基于 $\Delta N_{CMB}$ 和 $\Delta N_{BBN}$ 观测约束推导出的衰变粒子参数限制。