[论文解读] The Cosmological Bulk Neutrino Catastrophe

Kevork N. Abazajian, George M. Fuller+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2000

Neutrino Physics Research被引用 1

一句话总结

本文研究了大额外空间维度中传播的体中微子模型的宇宙学约束，表明当最大额外维度超过1 fm时，此类模型与宇宙微波背景（CMB）、原初核合成以及弥漫光子背景的观测结果相冲突。关键结果是，除非经过精细调节，否则大多数具有大体积环形紧化或密集的Kaluza-Klein（KK）模的轻中微子质量模型均被排除；然而，在严格条件下，特定的Kaluza-Klein中微子态配置仍可能作为暗物质存在。

ABSTRACT

Recent phenomenological models which posit extra spacelike dimensions in which (bulk) neutrinos are allowed to propagate are shown to have significant cosmological effects whenever the size of the largest extra dimension is R > 1 fm (1/R < 200 MeV). Specifically, limits from the cosmic microwave background (CMB) anisotropies as measured by BOOMERanG, big bang nucleosynthesis, deuterium and Li-6 photoproduction, diffuse photon backgrounds, and structure formation/age considerations are shown to translate into broad constraints on bulk neutrino schemes. These present challenges for many recent light neutrino mass models invoking large volume toroidal compactifications as well as those involving densely spaced Kaluza-Klein (KK) modes. We discuss how these models would have to be modified to escape constraint and under what finely-tuned circumstances bulk neutrino KK tower states could constitute a new kind of dark matter. Future CMB observations (e.g., MAP, Planck) may extend these constraints or discover signatures of bulk neutrino models with R ~ 0.1 fm.

研究动机与目标

• 评估具有大额外空间维度中体中微子的模型在宇宙学上的可行性。
• 识别来自CMB各向异性的观测约束、原初核合成以及弥漫光子背景对这些模型的限制。
• 评估具有大体积环形紧化的轻中微子质量模型或密集Kaluza-Klein模是否能与宇宙学数据保持一致。
• 探讨在何种精细调节条件下，体中微子Kaluza-Klein态可作为可行的暗物质候选者。
• 预测未来CMB任务（如MAP和Planck）在扩展当前约束或探测体中微子模型信号方面的潜力。

提出的方法

• 分析包括BOOMERanG测量的CMB各向异性、原初核合成产物、氘和Li-6光致产额以及弥漫光子背景测量在内的宇宙学可观测量。
• 对最大额外维度R施加约束，重点关注R > 1 fm（1/R < 200 MeV）的情形，以评估体中微子对宇宙学的影响。
• 评估Kaluza-Klein（KK）中微子模对宇宙演化的影响，特别是其对能量密度和熵注入的贡献。
• 利用结构形成和宇宙年龄的考虑进一步限制体中微子模型的参数空间。
• 通过考察其遗迹丰度和热历史，评估体中微子KK塔作为暗物质的可行性。
• 预测未来CMB实验（如MAP、Planck）对R ~ 0.1 fm的体中微子模型的探测或排除能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 大额外维度中的体中微子如何影响宇宙微波背景各向异性？这会对额外维度的大小施加何种限制？
• RQ2 原初核合成与氘和Li-6的光致产额在多大程度上限制了R > 1 fm的体中微子模型？
• RQ3 弥漫光子背景测量对体中微子Kaluza-Klein态存在的意义是什么？
• RQ4 在何种条件下，体中微子Kaluza-Klein塔可作为宇宙学模型中可行的暗物质候选者？
• RQ5 未来CMB观测对探测或约束R ~ 0.1 fm的体中微子模型的敏感度如何？

主要发现

• 额外维度大于1 fm（1/R < 200 MeV）的模型受到BOOMERanG测量的CMB各向异性强烈宇宙学约束。
• 原初核合成与氘和Li-6的光致产额施加了额外约束，使具有大体积环形紧化的许多轻中微子质量模型难以成立。
• 弥漫光子背景测量进一步限制了体中微子模型的参数空间，特别是那些具有密集Kaluza-Klein模谱的模型。
• 结构形成与宇宙年龄的考虑为体中微子情景的可行性提供了额外的、非平凡的约束。
• 只有在高度精细调节的条件下，体中微子Kaluza-Klein塔态才能构成可行的暗物质形式。
• 未来的CMB任务（如MAP和Planck）可能扩展当前约束，或探测到R ~ 0.1 fm的体中微子模型的信号。