利用 CMB 谱畸变区分小尺度危机的暗物质解决方案

早期宇宙中小尺度扰动的耗散会在宇宙微波背景光子的黑体谱中产生畸变。在本工作中，我们提议将这些畸变作为 $1\,\textrm{Mpc}^{-1}\lesssim k \lesssim 10^{4}\,\textrm{Mpc}^{-1}$ 尺度上暗物质微观物理学的探针。我们特别考虑了暗物质在复合前不久之前与中微子或光子存在动力学耦合的模型，并计算了两种情况下的光子加热率和由此产生的 $\mu$ 畸变。我们表明，对于与中微子的相互作用，$\mu$ 参数相对于 $\Lambda$CDM 通常有所增强；而在与光子相互作用的情况下，则可能增强也可能受到抑制。对于与时间无关的截面，若 $\sigma_{\textrm{DM}-\gamma} \gtrsim 1.1\times10^{-30} \left(m_{\textrm{DM}}/\textrm{GeV}\right) \textrm{cm}^{2}$ 且 $\sigma_{\textrm{DM}-\nu} \gtrsim 4.8\times 10^{-32} \left(m_{\textrm{DM}}/\textrm{GeV}\right) \textrm{cm}^{2}$，对于按温度平方标度的截面，若 $\sigma^{0}_{\textrm{DM}-\gamma} \gtrsim 1.8 \times 10^{-40} \left(m_{\textrm{DM}}/\textrm{GeV}\right) \textrm{cm}^{2}$ 且 $\sigma^{0}_{\textrm{DM}-\nu} \gtrsim 2.5 \times 10^{-47} \left(m_{\textrm{DM}}/\textrm{GeV}\right) \textrm{cm}^{2}$，偏离 $\Lambda$CDM 信号的幅度可能处于类 PRISM 实验的灵敏度范围内，这与晚期动力学退耦可作为小尺度危机解决方案的参数区域相吻合。此外，这些 $\mu$ 畸变信号不同于温暗物质（相对于 $\Lambda$CDM 无偏离）和受抑制的原初功率谱（强烈抑制或负 $\mu$ 参数）的信号，表明 CMB 谱畸变有可能被用于区分小尺度危机的各种解决方案。