CMB 处的 $N_{\rm eff}$ 对 $U(1)_X$ 轻规范玻色子场景的挑战

相对论自由度数（$N_{\rm eff}$）是关键的宇宙学参数之一。Planck 2018 对宇宙微波背景形成时期 $N_{\rm eff}$ 的精确测量可用于理解新的基本相互作用，特别是涉及轻媒介粒子的相互作用。在约 $\sim$ MeV 的温度下，任何具有足够能量密度且与标准模型粒子存在显著相互作用的新粒子的存在，都能显著改变中微子退耦，从而改变 $N_{\rm eff}$。因此，对 $N_{\rm eff}$ 的约束可对涉及轻粒子的各种超出标准模型范式施加严格限制。$U(1)_X$ 模型即属于此类场景，并在多个方面得到了广泛研究。在本工作中，我们考虑了几种流行的带有轻 $Z'$ 玻色子的 $U(1)_X$ 模型，如 $U(1)_{B-L}$、$U(1)_{B - 3L_i}$、$U(1)_{B_i - 3 L_j}$、$U(1)_{L_i - L_j}$（其中 $i,j =1,2,3$ 为味指标），并研究了它们对 $N_{\rm eff}$ 的影响。我们还检验了来自地面实验（如 Xenon1T、Borexino、三叉戟过程等）的约束。我们的分析表明，对于轻质量 $M_{Z'} \lesssim \mathcal{O} (\rm{MeV})$，$N_{\rm eff}$ 对 $Z'$ 的质量和耦合提供了最严格的约束，远超其他实验的现有约束。