用宇宙微波背景探测暗 sector 中的退耦

宇宙微波背景(CMB)温度与偏振各向异性角功率谱中的声学峰，作为探测早期宇宙中贡献辐射密度的新相对论性粒子本质的重要探针，由 $\Delta N_{eff}$ 参数化。声学振荡的振幅与相位提供了关于这些额外物种在 CMB 所探测的时期内是像中微子一样的自由流动粒子，还是像光子一样紧密耦合的信息。另一方面，标准模型的一些扩展产生新的相对论性粒子，它们在中微子之后但光子之前从其自身的非引力相互作用中退耦。我们研究在此中间时期退耦的新相对论性物种的印记。我们认为退耦物种将导致声学振荡振幅与相移的尺度相关变化，不同于小尺度上通常的常数偏移。对于中间退耦时间，相位与振幅偏移不仅依赖于 $\Delta N_{eff}$，还依赖于新物种退耦时的红移 $z_{dec,X}$。对于 $\Delta N_{eff} >0.334$，第四阶段 CMB 实验可在百分水平确定 $N_{eff}$，并在 $\sim 10\%$ 水平确定 $z_{dec,X}$。对于更小的值 $\Delta N_{eff}\sim 0.1$，对 $z_{dec,X}$ 的约束减弱，但在 $z_{dec,X} \sim \mathcal{O}(10^3-10^4)$ 时仍为 $\sim 20-50\%$。作为一个应用，我们研究了简单实现的所谓 $N$自然性模型对 $\Delta N_{eff}$ 的贡献并确定其 $z_{dec,X}$ 值。