具有可观测 $\Delta N_{\rm eff}$ 的自互作用暗物质

我们提出了一种基于暗 $U(1)_D$ 规范延伸标准模型(SM)的 GeV 级自互作用暗物质( SIDM) 候选方案，旨在解决 $\Lambda$CDM 框架下的小尺度结构问题，同时预测 $\Delta N_{\rm eff}$ 的可观测贡献，即暗辐射。该模型引入了暗物质候选 $\chi$ 和标量 $\phi$，两者均受未破裂 $U(1)_D$ 规范对称性约束。$\chi$ 的自互作用通过轻向量玻色子 $X^\mu$ 进行介导，其质量通过 Stueckelberg 机制生成。$\chi$ 的余辉abundance由通过 $X^\mu$ 进入的热力学冻结决定，此外还伴随来自 $\phi$ 晚期衰变的非热成分。关键的是，$\phi$ 在核子产生大爆炸(BBN) 之后但在宇宙微波背景(CMB) 之前衰变，产生额外的 $\chi$ 和一种暗辐射物种($\nu_S$)。这种晚期产生补偿了由于高效 $X^\mu$ 进入导致的热力学不足，同时满足结构形成约束。伴随的暗辐射产生可检测的 $\Delta N_{\rm eff}$，与 Planck 2018 数据相符，且在下一代实验如 SPT-3G、CMB-S4 和 CMB-HD 中可被探测到。