早期宇宙中中微子 - 中微子散射的限制

在标准模型中，假设中微子自弱退耦时期（此时标准模型等离子体的温度约为 MeV 量级）最后一次散射后，便在宇宙中自由流动。自由流动中微子的剪切应力会通过引力方式印刻在宇宙微波背景辐射（CMB）上，使得 CMB 成为探测中微子散射的灵敏探针。然而，中微子部分存在非标准物理可能会改变这一标准演化过程，并将中微子的自由流动推迟到更晚的时期。我们利用 CMB 观测数据来约束中微子自相互作用强度 $G_{\rm eff}$，并对早期宇宙中微子部分的新物理设定限制。Planck 卫星和高多极矩（high-$\ell$）实验近期对 CMB 的测量对于探测此类物理至关重要。在常规 $\Lambda$CDM 参数框架下，宇宙学数据与 $G_{\rm eff} < 1/(56 \, \text{MeV})^2$ 相容，且中微子自由流动可能被推迟至其温度冷却到约 25 eV 的低值。有趣的是，我们还发现了一种与宇宙学数据相容的替代宇宙学模型，其中中微子相互散射直至红移 $z\sim10^4$，其优选的相互作用强度位于 $G_{\rm eff} \simeq 1/({\rm 10 \, MeV})^{2} \simeq 8.6\times10^8 G_{\rm F}$ 附近的狭窄区域内，其中 $G_{\rm F}$ 为费米常数。这种独特的自相互作用中微子宇宙学特征在于标量谱指数和原初涨落振幅的值均略低。虽然我们将此处的讨论表述为中微子自由流动晚期 onset 可能发生的特定情景，但我们对中微子可见度函数的约束具有非常普遍的意义。