CMB Rayleigh-Jeans 尾部的新物理

我们表明，尽管对 CMB 谱主要部分的形状有严格限制，但在其 Rayleigh-Jeans (RJ) 端（$\omega \ll T_{\rm CMB}$）仍有相当大的修改空间。我们构建了显式的新物理模型，这些模型在 RJ 尾部给出光子数量一阶（或更大）的增加，可以通过旨在探测宇宙 21 cm 发射/吸收信号的现有和即将进行的实验来检验。这类模型规定不稳定粒子衰变为暗光子 $A'$，其具有小质量 $m_{A'} \sim 10^{-14} - 10^{-9}$ eV、与电磁学的非零混合角 $\epsilon$，且能量远小于 $T_{\rm CMB}$。暗光子的非热数密度可以比 CMB 光子的数密度高出许多个数量级，即使 $A'\to A$ 振荡的概率很小（对于小至 $\epsilon \sim 10^{-9}$ 的值），也能显著增加 RJ 光子的数量。特别地，我们表明，在红移区间 $20 < z < 1700$ 内暗光子向普通光子的共振振荡，可以作为对近期初步观测到的比预期更强的 21 cm 光子吸收信号的解释。我们提出了一个实现这种可能性的模型，其中毫电子伏特质量暗物质衰变为暗光子，其寿命长于宇宙年龄。