来自 BBN 和 CMB 对 MeV 尺度热暗扇区的精化约束

与标准模型等离子体热耦合的新轻态会改变宇宙的膨胀历史，并影响原初轻元素的合成。在这项工作中，我们对 MeV 尺度超越标准模型粒子在大爆炸核合成（BBN）和宇宙微波背景（CMB）观测中的影响进行了详尽而精确的分析。我们发现，BBN 观测对热暗物质质量设定了 $m_\chi > 0.4\,\text{MeV}$（$2\sigma$）的下限。此界限与粒子的自旋、内部自由度数目、湮灭是 s 波还是 p 波以及湮灭末态均无关。此外，我们表明，当前的 BBN 加 CMB 观测将纯亲电子性和纯亲中微子性的超越标准模型粒子质量约束为 $m_\chi > 3.7\,\text{MeV}$（$2\sigma$）。我们探索了未来 BBN 测量的探测能力，并表明即将进行的 CMB 任务应将轻的热超越标准模型态的约束改善至 $m_\chi > (10-15)\,\text{MeV}$。最后，我们证明，与标准模型等离子体热耦合的极轻超越标准模型粒子受到当前宇宙学观测的强烈反对。