[论文解读] Cosmological Invisible Decay of Light Sterile Neutrinos

Stefano Gariazzo, C. Giunti+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文提出，eV量级的惰性中微子通过衰变为轻的、不可探测的粒子而发生隐形衰变，以调和其在早期宇宙中的热平衡与短基线中微子振荡实验数据之间的矛盾。该衰变机制使得早期宇宙中实现完全热平衡成为可能，从而在宇宙学数据上获得稳定拟合——尤其改善了与本地哈勃常数测量结果以及小尺度结构抑制现象的一致性，同时仍能合理解释BICEP2观测到的张量标量比异常偏高的问题。

ABSTRACT

We introduce a cosmological invisible decay of the sterile neutrino with the eV-scale mass indicated by short-baseline neutrino oscillation experiments in order to allow its full thermalization in the early Universe. We show that the fit of the cosmological data is practically as good as the fit obtained with a stable sterile neutrino without mass constraints, which has been recently considered by several authors for the explanation of the observed suppression of small-scale matter density fluctuations and for a solution of the tension between the Planck and BICEP2 measurements of the tensor to scalar ratio of large-scale fluctuations. Moreover, the extra relativistic degree of freedom corresponding to a fully thermalized sterile neutrino is correlated with a larger value of the Hubble constant, which is in agreement with local measurements.

研究动机与目标

• 调和eV量级惰性中微子（由短基线振荡实验所暗示）与它们在早期宇宙中的宇宙学热平衡之间的矛盾。
• 调和观测到的小尺度物质密度涨落抑制现象与本地测量的高哈勃常数之间的矛盾。
• 在与普朗克和WMAP约束一致的前提下，解释BICEP2观测到的张量标量比偏高的现象。
• 提供一个可行的宇宙学模型，使得大质量惰性中微子能够实现完全热平衡，而不会过度产生小尺度结构抑制。

提出的方法

• 引入惰性中微子衰变为轻的、不可探测粒子的隐形衰变通道，使早期宇宙中实现完全热平衡成为可能。
• 使用包括CMB、大尺度结构（LSS）、宇宙弱引力透镜（CFHTLenS）、普朗克星系团计数（PSZ）以及本地H₀测量在内的宇宙学数据集。
• 利用CosmoMC进行全局拟合，以约束惰性中微子寿命τs与有效额外相对论自由度ΔNeff。
• 基于短基线中微子振荡实验数据（m_s ~ 1 eV）施加先验，以约束惰性中微子质量。
• 分析ΔNeff与H₀之间的相关性，以评估其与本地H₀测量结果的一致性。
• 对比有无惰性中微子衰变的模型结果，以隔离其对宇宙学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 eV量级的惰性中微子是否能在不导致小尺度结构抑制过度产生的前提下，实现在早期宇宙中的完全热平衡？
• RQ2 惰性中微子的隐形衰变是否能改善宇宙学数据的拟合效果，特别是针对BICEP2观测到的张量标量比？
• RQ3 该衰变机制能否调和本地测量的高哈勃常数（H₀）与CMB及大尺度结构的宇宙学约束之间的矛盾？
• RQ4 在宇宙学与振荡实验数据的联合约束下，惰性中微子寿命τs的允许范围是什么？
• RQ5 衰变如何影响ΔNeff与H₀之间的相关性？是否能恢复与本地H₀测量结果的一致性？

主要发现

• 包含隐形衰变的宇宙学拟合效果与稳定惰性中微子模型几乎相当，全数据集的Δχ² ≈ 0。
• 质量约为m_s ~ 1 eV的惰性中微子可通过隐形衰变实现完全热平衡，避免小尺度结构抑制的过度产生。
• 该模型预测ΔNeff ≈ 1，其与更大的哈勃常数H₀相关联，从而使H₀与本地测量结果一致。
• 惰性中微子寿命的1σ上限为τs < 0.11 T0（T0为宇宙年龄），2σ上限为τs < 0.26 T0。
• 当ΔNeff固定为1时，1σ范围收紧为0.5 < τs < 2.5 T0，2σ下限变为τs > 0.14 T0。
• 引入衰变后，ΔNeff与H₀之间的相关性被恢复，这对解决H₀张力问题至关重要。