大爆炸核合成期间对非相对论性物质的限制

大爆炸核合成（BBN）探测了温度在约 10 MeV 至约 100 keV 范围内的宇宙质能密度。在此，我们考虑一种在 BBN 期间为非相对论性且无压力的宇宙类物质组分的影响。这种组分必须衰变；在 BBN 期间衰变会改变重子-光子比率 η 和有效中微子种类数。我们利用轻元素丰度以及宇宙微波背景（CMB）对 η 和 N_ν 的限制，对此类物质组分施加约束。我们发现，电磁衰变会相对于中微子加热光子，从而在三种标准模型中微子种类的情况下，将有效相对论性物种数稀释至 N_eff < 3。有趣的是，仅基于 Planck CMB 数据的似然结果给出 N_ν = 2.800 ± 0.294，当与标准 BBN 及 D 和 ⁴He 的观测结合时，给出 N_ν = 2.898 ± 0.141。虽然这两个结果都与标准模型一致，但我们发现，非零丰度的电磁衰变物质能更好地拟合这些结果。我们的最佳拟合结果对应于一种完全以电磁方式衰变的物质组分，其寿命 τ_X = 0.89 秒，衰变前密度是 10 MeV 时辐射能量密度的一部分 ξ = (ρ_X/ρ_rad)|_{10 MeV} = 0.0026；在 ξ τ_X^{1/2} 为常数的范围内，同样找到了良好的拟合。另一方面，衰变物质常常破坏 BBN+CMB 的一致性，我们在 (τ_X, ξ) 平面上给出了电磁衰变和不可见衰变的限制。对于暗（不可见）衰变，标准 BBN（即 ξ=0）提供了最佳拟合。我们最后简要讨论了包括 CMB-S4 在内的未来测量的影响。