通过 CMB 中作为 $\Delta N_{\rm eff}$ 的暗辐射测量暴胀子耦合

我们研究了标准模型（BSM）之外自由流动的相对论性粒子的产生，这些粒子对 $N_{eff}$ 有贡献，并探讨了暴胀分析的预测会发生多大变化。我们将暴胀子衰变视为这种暗辐射（DR）的来源，并使用来自 $\textit{Planck}$-2018 的宇宙微波背景（CMB）数据来约束这些场景，并确定涉及暴胀子耦合与质量的参数空间，这些参数空间将处于 SPT-3G、CMB-S4、\text{CMB-Bh\overline{a}rat}、PICO、CMB-HD 等下一代 CMB 实验的探测范围内。我们发现，如果 BSM 粒子仅通过与暴胀子的相互作用以及标准模型（SM）相对论性粒子产生，那么它对 $N_{eff}$ 的贡献是暴胀子衰变至 BSM 粒子 $X$ 的分支比 $B_X$ 的单调递增函数；$\textit{Planck}$ 对 $N_{eff}$ 的界限排除了此类 $B_X \gtrsim 0.09$ 的情况。将 $\textit{Planck}$+BICEP 数据的两种不同分析与其他宇宙学观测结合起来考虑，$N_{eff}$ 被视为自由参数，这放宽了对标量谱指数（$n_s$）和张标比（$r$）的约束。第一种分析得出的预测是，Hilltop 暴胀等暴胀模型与数据一致。第二种分析排除了在 Coleman-Weinberg 暴胀或 Starobinsky 暴胀场景中 BSM 粒子 $X$ 从暴胀子衰变产生的可能性。为此，我们假设 SM Higgs 粒子与 BSM 粒子一同产生。我们探讨了 $X$ 可以是标量、费米子或规范玻色子的可能性，考虑了其与暴胀子的可能相互作用，并确定了 Planck 所允许的参数空间范围以及未来 CMB 观测将能探测到的范围。