[论文解读] Messengers from the Early Universe: Cosmic Neutrinos and Other Light Relics

Daniel Green, Mustafa A. Amin+137 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用 45

一句话总结

本文认为，来自早期宇宙的光遗物，尤其是宇宙中微中微子，在CMB、BAO、BBN和大尺度结构中留下可检测的信号，未来的高分辨率CMB观测能够显著提升对N_eff及热历史的约束。

ABSTRACT

The hot dense environment of the early universe is known to have produced large numbers of baryons, photons, and neutrinos. These extreme conditions may have also produced other long-lived species, including new light particles (such as axions or sterile neutrinos) or gravitational waves. The gravitational effects of any such light relics can be observed through their unique imprint in the cosmic microwave background (CMB), the large-scale structure, and the primordial light element abundances, and are important in determining the initial conditions of the universe. We argue that future cosmological observations, in particular improved maps of the CMB on small angular scales, can be orders of magnitude more sensitive for probing the thermal history of the early universe than current experiments. These observations offer a unique and broad discovery space for new physics in the dark sector and beyond, even when its effects would not be visible in terrestrial experiments or in astrophysical environments. A detection of an excess light relic abundance would be a clear indication of new physics and would provide the first direct information about the universe between the times of reheating and neutrino decoupling one second later.

研究动机与目标

• 以精准宇宙学为手段，研究超出标准模型的额外相对论性粒子。
• 解释N_eff如何参数化轻遗物以及其如何涵盖广泛的新物理现象。
• 强调即将到来的宇宙学观测在约束从再加热到中微子脱耦的热历史中的作用。

提出的方法

• 定义N_eff和Delta N_eff以量化来自新轻粒子的额外辐射。
• 描述中微子自由流动和扰动如何影响CMB阻尼尾部和声学相位。
• 讨论轻遗物对BBN氦的影响，以及通过物质幂谱和BAO引起的对大尺度结构的影响。
• 概述来自下一代CMB实验在N_eff灵敏度方面的预期改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 额外轻遗物的存在如何改变有效中微子种数N_eff以及CMB/BBN观测量？
• RQ2 使用未来高分辨率CMB观测来检测或约束Delta N_eff的观测前景如何？
• RQ3 如何通过N_eff及相关信号区分不同的超出标准模型场景（如轴子、sterile 中微子、暗辐射）及其脱耦温度？
• RQ4 在约束热历史和潜在引力波背景方面，CMB、BAO、BBN和LSS的互补性如何？
• RQ5 对Y_p（原始氦）和CMB的相位偏移的精确测量能否提供对轻遗物的独立探针？

主要发现

• 未来的CMB观测可实现sigma(N_eff)≈0.03，大幅扩展对脱耦温度T_F的敏感性并探测新的物理。
• Delta N_eff作为任何热生产的相对论性种类的通用追踪器，包括轴子、无味中微子和暗领域。
• 自由流动辐射引起的CMB和BAO相位位移提供了中微子和轻遗物的独特信号。
• BBN与原始氦测量在早期时刻的辐射密度方面提供互补约束，对N_eff敏感。
• 非标准中微子相互作用或额外辐射可能在CMB的阻尼尾部和声学峰留下印记，可用即将到来的数据进行检验。
• 对N_eff的约束提供了再加热到中微子脱耦之间热历史的信息，可能揭示引力波背景或相变信号。