QCD 暗物质场景中的谱光畸变

我们通过分析从衰变暗子系统粒子注入对宇宙微波背景（CMB）谱光畸变（SD）的影响，来研究 QCD--DM 场景。我们采用一种统一框架，能够描述相对论性和非相对论性粒子，以及快速和缓慢的衰变模式。在该方法下，我们对指数衰变、幂律衰变、振荡衰变和两步衰变进行建模，计算在约束尺度 $a_c$、衰变率 $\Gamma_\chi$、能量传递效率 $\Sigma_\chi$ 和速度 $v_{\chi c}$ 所征获的参数空间中产生的 $\mu$- 和 $y$-型畸变。我们发现，幂律、振荡和级联衰变可通过适当的尺度变换映射到指数模型中。决定谱光畸变的主要因素为衰变时刻和寿命，在极端相对论极限情况下，$v_{\chi c}$ 才变得重要。FIRAS 观测对早期能量注入施加了严格限制，其中 $\mu$-型畸变对 $\Sigma_\chi$ 提供了最严格的约束。同时匹配 $\mu_{\rm firas}$ 和 $y_{\rm firas}$ 可打破 $\Gamma_\chi$ 与 $\Sigma_\chi$ 之间的退化关系，定位出首选衰变率约为 $\Gamma_\chi \lesssim (3.3-4.4)\times10^{-3}~{\rm yr}^{-1}$，且 $\Sigma_\chi \lesssim 8.5\times10^{-4}$（针对相对论性粒子），而 $\Gamma_\chi \gtrsim 6.5~{\rm yr}^{-1}$ 的快速衰变则在观测上几乎可忽略不计。我们的结果表明，CMB 谱光畸变是探测暗子系统动力学的强大工具。未来的任务如 PIXIE 或 PRISM 可能将当前限制提高几个数量级，测试先前无法触及的参数空间区域。