探测标准模型之外物理：来自 BBN 与 CMB 的独立及联合限制

我们给出了大爆炸核合成（BBN）对宇宙膨胀率或相对论性能量密度的新限制，以等效中微子物种数 $N_\nu$ 量化。我们使用最新的轻元素观测、中子平均寿命，并更新了我们对核反应率 $d+d \rightarrow He3 + n$ 与 $d+d \rightarrow H3 + p$ 的评估。将此结果与来自宇宙微波背景（CMB）的独立约束相结合，得到了对在宇宙核合成前扰动 $N_\nu$ 与 $\eta$ 的新物理的严格限制：BBN+CMB 联合分析给出 $N_\nu = 2.898 \pm 0.141$，从而在 $2\sigma$ 下得到 $N_\nu < 3.180$。我们将这些限制应用于包括右手中微子、暗辐射与随机引力波背景在内的广泛新物理情形。我们还搜寻了两个时期之间 $N_\nu$ 和/或重子-光子比 $\eta$ 潜在变化的上限。当前数据对 BBN 与 CMB 退耦之间 $N_\nu$ 的允许变化施加了强约束；例如，在 $\eta$ 与原始氦质量分数 $Y_p$ 在两时期间不变的情况下，我们发现 $-0.708 < N_\nu^{\rm CMB}-N_\nu^{\rm BBN} < 0.328$；我们也给出了对 $\eta$ 或 $(\eta,N_\nu)$ 联合允许变化的限制。展望未来，我们预测了来自 CMB 第四阶段（Stage 4）测量以及天文 \he4 测量改进所带来的 $N_\nu$ 精度提升。我们发现，CMB-S4 与当前 BBN 及轻元素观测精度结合可给出 $\sigma(N_\nu) \simeq 0.03$。此类未来精度将揭示 BBN 期间 CMB 的中微子加热预期效应（$N_{\rm eff}-3=0.044$），并接近能揭示任何曾与标准模型处于热平衡的粒子物种的水平。