Higgs-Dilaton cosmology: Are there extra relativistic species?
最近对宇宙学数据的分析表明，在标准模型的内容之外，存在着一种额外的相对论成分。希格斯-膨胀子宇宙学模型预言存在一种无质量粒子--介子--它与尺度不变性的自发对称性破缺有关，而且任何加速器实验都无法探测到。它的超相对论特性使它成为宇宙中光自由度有效数量的合适候选者。在这封信中，我们分析了暴胀后（p）再加热阶段的希格斯子产生，并得出结论，在最简单的希格斯-膨胀情景中，除了标准模型中已经存在的自由度之外，预计不会有额外的相对论自由度。因此，任何粒子物理学实验或宇宙学观测基本上都无法探测到难以捉摸的介子。
2012-11-21 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Cosmology of Single Species Hidden Dark Matter
本文研究单物种隐藏暗物质模型，提出用相对论性到非相对论性转变时的特征尺度因子作为单一参数来统一描述，发现Lyman-$α$森林等观测将转变红移限制为大于约6.2×10^7。
2025-06-01 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Precise Capture Rates of Cosmic Neutrinos and Their Implications on Cosmology
我们探索的宇宙学效应，如中微子光谱扭曲的中微子去耦和中微子在我们的银河系中，通过宇宙中微子捕获氚的测量潜力。我们计算每个中微子物种的精确捕获率，包括宇宙学效应来探测它们。捕获率的精确估计也很重要，因为估计捕获率的偏差可能表明新的中微子物理学和/或宇宙的非标准演化。此外，我们还讨论了狄拉克和马约拉纳中微子的捕获率之间的精确差异，所需的能量分辨率，以检测每个中微子物种和宇宙中微子的光谱重建的方法，通过发射的电子光谱，重点是PIMMY实验。
2021-04-22 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Additional Light Sterile Neutrinos and Cosmology
诱人的宇宙学和地球证据表明，轻中微子的数量可能大于3，激发了对额外轻物质的宇宙学界限的仔细重新检查。大爆炸核合成限制了核合成过程中存在的相对论中微子种类的数量，$N_{eff}^{BBN}$，而CMB角功率谱的测量限制了物质辐射相等时相对论中微子的有效能量密度，$N_{eff}^{CMB}$。在许多情况下，新的无菌中微子种类可能对$ΔN_{eff}^{BBN}$和$ΔN_{eff}^{CMB}$有不同的贡献，其质量可能与调和宇宙学约束和地球上各种中微子振荡的说法有关。我们考虑的情况下，两个不育中微子和探讨是否部分热化的不育状态可以缓解之间的紧张关系的宇宙学约束$N_{eff}^{BBN}$和地球上的数据。然后，我们研究了非零中微子质量对辐射丰度的影响，发现质量高于0.5 eV的中微子的$ΔN_{eff}^{CMB}$减少了5%以上。虽然我们在这里研究的影响可能会发挥作用，但我们发现，另外两种轻不育中微子种类不能在95%的置信水平下拟合所有数据。
2013-04-10 astro-ph.CO hep-ph
Precision cosmology with baryons: non-radiative hydrodynamics of galaxy groups
重子对物质功率谱的影响可能会对未来的星系调查产生可观察到的影响，如欧几里得或LSST。作为迈向完全预测理论的第一步，我们研究了非辐射流体动力学对星系群大小的晕结构的影响，这对弱透镜功率谱的贡献最大。我们进行高分辨率（超过一百万个粒子每晕和一千秒差距的分辨率）的非辐射流体动力学放大模拟的样本16晕，比较流行的分析模型的配置文件。我们发现，总的质量配置文件是很好地拟合纳瓦罗，弗伦克和怀特模型，与参数略有修改的暗物质唯一的模拟。我们还发现，小松和Seljak流体静力学解决方案提供了一个很好的适合的气体剖面，但显着的偏差，所产生的强大的湍流混合的核心和非热，湍流压力支持在郊区。湍流能量随半径呈浅的线性上升，并与晕形成时间相关。仅使用三个主要的结构晕参数作为变量（总质量，浓度参数和中心气体密度），我们可以预测精度优于20%的个别气体的密度和温度分布。对于与功率谱计算相关的平均总质量分布，我们甚至达到了1%的精度。这些预测的鲁棒性已被测试对分辨率的影响，不同类型的初始条件和流体动力学计划。
2017-03-16 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Rise of the First Stars: Supersonic Streaming, Radiative Feedback, and 21-cm Cosmology
了解第一批恒星和星系的形成和演化是天文学中最令人兴奋的前沿之一。由于宇宙在早期充满了氢原子，因此最有希望探测第一批恒星时代的是氢的突出的21厘米谱线。目前的观测工作主要集中在宇宙再电离时代，但对再电离前宇宙黎明的观测也很有希望。虽然在观测上尚未探索，但理论研究预测了宇宙黎明的各种各样的观测信号。当第一批恒星形成时，它们的辐射（加上来自恒星残骸的辐射）产生了重要的宇宙事件，包括z~25的莱曼-α耦合和早期的X射线加热。许多焦点已经去研究21厘米波动的角平均功率谱。其他探测包括全球（天空平均）21厘米光谱，和视线的21厘米功率谱的各向异性。一个特别引人注目的特征可能来自最近认识到的暗物质和气体之间超音速相对速度的影响。在这一领域的工作，重点是理解整个时代的再电离和宇宙黎明的分析模型和数值模拟，可能会增加强度和重要性，因为理论预测最终预计将面对21厘米观测在未来几年。[删节]
2016-06-02 astro-ph.CO
Probing relic neutrino decays with 21 cm cosmology
我们展示了如何21厘米宇宙学可以测试遗迹中微子辐射衰变成不育中微子。利用最近的EDGES结果，我们得到的衰减中微子的寿命的限制。如果EDGES异常将被证实，那么有两个解决方案，一个是比宇宙年龄长得多的寿命，另一个是比宇宙年龄短得多的寿命，这表明残余中微子辐射衰变可以以简单的方式解释异常。我们还展示了如何将EDGES结果与射电背景观测结果相结合，表明在拟议的非标准宇宙学场景中，ARCADE 2过剩也可以与EDGES异常一起再现。我们对EDGES探测到的红移处的比强度的计算也适用于衰变暗物质的情况，并修正了以往文献中的一个有缺陷的表达式。
2018-09-20 astro-ph.CO hep-ph
Photometric Supernova Cosmology with BEAMS and SDSS-II
没有光谱确认的超新星宇宙学是一个令人兴奋的新前沿，我们在这里使用贝叶斯估计应用于多物种（BEAMS）算法和斯隆数字巡天II超新星巡天（SDSS-II SN）的整整三年数据。BEAMS是一个贝叶斯框架，用于在统计推断中使用来自多个物种的数据，当一个人有概率每个数据点属于一个给定的物种时，对应于不同类型的超新星，其概率来自其多波段光变曲线。我们在高斯和更现实的SNANA模拟中运行BEAMS算法，使用10^4阶超新星，测试算法是否会遇到光度超新星宇宙学新的未知领域中可能出现的各种陷阱。我们比较BEAMS的性能的模拟光谱调查和光度样品已被削减使用典型的选择标准。后者通常是有偏见的，由于污染或有显着较大的轮廓，在宇宙学参数由于小的数据集。然后，我们应用BEAMS的792 SDSS-II光度超新星与主机光谱红移。在这种情况下，相对于只使用光谱证实的数据（297颗超新星），BEAMS将（Ω_m，Ω_Λ）轮廓的面积减少了三倍。在平面情况下，将BEAMS应用于光度学SDSS-II数据得到的物质密度约束为Ω_m（BEAMS）=0.194 \pm 0.07。这说明了BEAMS在未来大型光度超新星调查（如LSST）中的潜在力量。
2011-11-22 astro-ph.CO
Fermi-bounce cosmology and the fermion curvaton mechanism
通过引入一个在高能尺度下发生BCS凝聚的费米子场，可以得到非奇异的弹跳宇宙学。本文通过释放辐射态和凝聚态之间的相变附近的能能量密度来稀释反弹附近的各向异性应力。为了解释几乎标度不变的CMB谱，需要另一个费米子场。我们研究了一种可能的曲率机制，即在没有凝聚的情况下，当质量比背景场轻时，两个费米子场相互作用。我们表明，凭借费米子曲率机制，我们的模型可以很好地满足最新的宇宙学观测，和费米子物种可能会实现一个宇宙学的跷跷板机制后，微调模型参数。
2014-06-05 astro-ph.CO gr-qc hep-th
N-body methods for relativistic cosmology
我们提出了一个框架，在弱引力场制度的广义相对论N体模拟。在这种方法中，爱因斯坦方程被扩展为关于弗里德曼-勒梅特背景的度量扰动，假设这些扰动保持很小。度规扰动本身只保持线性顺序，但我们保持其第一空间导数的二阶和治疗其第二空间导数以及应力能量源完全非微扰。物质的演化可以用N体系综来模拟，它可以由自由流动的非相对论性粒子（如冷暗物质）或相对论性粒子（如宇宙中微子）组成，但这个框架是完全通用的，也允许其他的应力能量来源，特别是额外的相对论性来源，如修正引力模型或拓扑缺陷。我们比较我们的方法与传统的牛顿方法，并认为相对论方法在概念上更强大和灵活，在适度增加数值难度的成本。然而，对于Lambda CDM宇宙学，非相对论性物质是唯一的扰动源，相对论性修正预计很小。我们从牛顿N体模拟中提取后牛顿估计来量化这一声明。
2014-08-14 astro-ph.CO gr-qc
Spontaneous symmetry breaking in inflationary cosmology: on the fate of Goldstone Bosons
我们认为，在暴胀宇宙学的时间平移不变性的缺乏的后果是，自发破缺的连续对称性和戈德斯通的定理\emph{do not}意味着存在的\emph{massless}戈德斯通模式。我们研究了O（2）模型中的自发对称性破缺，以及在de Sitter时空中O（N）的含义。Goldstone模式获得辐射产生的质量作为红外发散的结果，并且对于任何有限的$N$，连续对称性自发地被破坏，但是存在作为霍金温度$T_H=H/2π$的函数的\emph{first order phase transition}。对于O（2），$T_H < T_c= λ^{1/4} v/2.419$的对称性自发破缺，其中$λ$是四次耦合，$v$是树能级真空期望值，Goldstone模获得辐射产生的质量$\mathcal{M}^2_π\propto λ^{1/4} H$ .跃迁的一阶性质是de Sitter时空中最小耦合标量场的强红外行为的结果，在$T_H=T_c$处序参量的跳跃为$σ_{0c} \simeq 0.61\, {H}/{λ^{1/4}}$。在严格的$N\rightarrow \infty$中，对称性不能自发破缺。此外，缺乏运动学阈值意味着Goldstone模式\emph{decay}到Goldstone和Higgs模式的超视界量子的发射和吸收。
2012-07-11 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Simultaneous constraints on the number and mass of relativistic species
粒子物理学和宇宙学的最新迹象表明，中微子的种类超过三种。在宇宙学分析中，对于固定的宇宙学参数，中微子质量和种类数的影响原则上可以被解开。然而，由于我们没有完美的标准λ冷暗物质模型参数的测量，中微子质量和物质数量之间仍然存在一些相关性，这两个参数都应该包括在分析中。结合了几个宇宙探测器的最新观测结果（宇宙微波背景、大尺度结构、膨胀率）得到N_eff=3.58（68% CL时+0.15/-0.16）（95%CL时+0.55/-0.53），中微子质量总和小于0.60 eV（95 CL），这是目前从包括两个参数的分析中对N_eff和M_nu的最强约束。对于N_eff >3的偏好现在处于2sigma水平。
2012-10-08 astro-ph.CO hep-ph
Inflationary attractors and radiative corrections in light of ACT data
University of Oxford（牛津大学）
在ACT数据背景下，研究辐射修正对膨胀吸引子模型的影响，并探讨其对参数空间和模型预测的潜在影响。
2026-02-27 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Precision Early Universe Cosmology from Stochastic Gravitational Waves
随机引力波的因果尾可以用来探测自由流相对论性粒子的能量密度，以及测量$g_\star(T)$和作为温度函数的β函数$β(T)$。在发现响亮的随机引力波的事件中，我们证明了LISA可以测量宇宙的自由流动分数到$10^{-3}$水平，比当前的约束灵敏100倍。此外，它将是敏感的$\mathcal{O}(1)$的$g_\star$和QCD $β$功能从它们的标准模型值在温度$\sim 10^5$ GeV的偏差。在这种情况下，许多动机模型，如分裂超对称性和其他解决方案的电弱层次问题将被测试。未来的探测器，如DECIGO，对这些效应的灵敏度将比LISA高100倍，并且能够测试其他有动机的场景，如WIMP和轴子。使用精确的引力波测量来测试这种动机良好的理论的惊人前景提供了一个基准，旨在发展一个精确的理解时，引力波频谱的实验和理论。
2022-10-12 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
COLOSSUS: A python toolkit for cosmology, large-scale structure, and dark matter halos
本文介绍了Colossus，一个公共的，开源的Python软件包，用于宇宙学相关的计算，宇宙中物质的大尺度结构（LSS），以及暗物质晕的性质。该代码被设计为快速和易于使用，具有一致的，文档齐全的用户界面。宇宙学模块实现了弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克宇宙学，包括曲率，相对论物种，和不同的暗能量状态方程，并提供快速计算的线性物质功率谱，方差，和关联函数。LSS模块关注高斯随机场中的峰值和统计意义上的晕的性质，包括它们的峰值高度、峰值曲率、晕偏置和质量函数。光晕模块处理球形过密度半径和质量、密度分布、浓度和回溅半径。为了便于快速探索这些量，Colossus从文献中实现了40多种不同的拟合函数。我将详细讨论核心例程，并特别强调它们的准确性。Colossus可以在bitbucket.org/bdiemer/colossus上找到。
2018-12-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
Brane inflation in background supergravity
我们在膜宇宙学的框架内提出了一个背景超引力驱动的暴胀模型。从体超引力出发，我们构造了膜上的暴胀子势，并利用它来研究暴胀范式的后果。为此，我们利用单圈辐射修正势，导出了膜暴胀中与标准宇宙学中的相应参数略有不同的重要参数的表达式。我们进一步估计了可观测参数，并发现它们与最近的观测数据很好地拟合，通过面对WMAP 7使用CAMB。我们还分析了膜暴胀的典型能量标度，这与目前宇宙学和粒子物理学标准模型的估计是一致的。
2012-01-05 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Shining Light on the Scotogenic Model: Interplay of Colliders and Cosmology
在暗生模型的框架下，我们探讨了光暗物质的情况，该模型的特点是中微子质量的辐射产生。在整个文件中，我们主要集中在keV尺度的暗物质，可以通过冻结通过新标量的衰变，或从衰变的次轻的费米子粒子在光谱中，这是通过冻结产生。后一种机制需要被抑制，因为它通常会产生热的暗物质成分。来自BBN的约束也被考虑，并与前生产机制相结合，他们强加的暗物质是轻的。对于这种情况下，我们认为签名在高亮度LHC和建议未来的强子和轻子对撞机，即FCC-hh和CLIC，专注于搜索两个轻子和失踪的能量作为最终状态。虽然高亮度LHC的潜在发现与宇宙学的限制存在矛盾，但未来的对撞机会大大改善这种情况。
2020-09-24 astro-ph.CO hep-ph
Confluence of Constraints in Gauge Mediation: The 125 GeV Higgs Boson and Goldilocks Cosmology
最近发现的125 GeV的希格斯玻色子对于规范介导的超对称破缺（GMSB）来说是一个挑战，因为辐射对希格斯玻色子质量的贡献并没有因为显著的停止混合而增强。然而，这一挑战不应孤立地考虑，因为GMSB通常还面临其他两个问题：未抑制的电偶极矩和缺乏有吸引力的暗物质候选者。我们表明，所有这些问题可以同时解决，考虑重超伙伴，没有额外的领域或修改宇宙学。多TeV的超费米子抑制了EDMs并提高了希格斯粒子的质量，而暗物质的问题则被金发姑娘宇宙学解决了，在金发姑娘宇宙学中，TeV的中性伴子衰变为GeV的引力伴子，这些引力伴子既轻到足以解决味道问题，又重到足以成为所有的暗物质。对撞机搜索和直接和间接的暗物质探测的意义是清醒的，但预计EDM接近其当前的边界，由此产生的非热引力子暗物质必然是温暖的，具有可检验的宇宙学意义。
2012-05-29 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
An analysis of constraints on relativistic species from primordial nucleosynthesis and the cosmic microwave background
我们提出的限制相对论物种的数量从联合分析的宇宙微波背景（CMB）的波动和轻元素丰度（氦和氘）相比，大爆炸核合成（BBN）的预测。我们的BBN计算包括根据最近的实验和理论信息对核速率的更新，其中最显著的变化发生在d（p，gamma）^3He的截面。我们计算BBN理论和观测的似然函数，占观测误差和核速率的不确定性，可以很容易地嵌入宇宙学参数拟合。然后，我们表明，CMB和BBN是在很好的协议，这表明相对论物种的数量没有改变的时间之间的BBN和重组的时间。BBN和CMB之间的一致性水平，以及与粒子物理学标准模型的一致性，在某种程度上取决于原始氦丰度测定之间的系统差异。我们表明，有趣的约束可以得出相结合的CMB和D/H观测与BBN理论，这表明改进的D/H约束将是一个非常有价值的宇宙学探测。
2011-12-12 astro-ph.CO nucl-th
Large neutrino mass in cosmology and keV sterile neutrino dark matter from a dark sector
该研究提出扩展跷跷板模型，通过暗扇区U(1)规范相互作用使暗物质与标准模型微中子热平衡，抑制活跃中微子丰度，从而调和宇宙学中微子质量与暗物质问题，并预言有效中微子种类数微增，可被未来CMB任务探测。
2025-04-19 astro-ph.CO hep-ph
Non-Thermal Dark Matter Mimicking An Additional Neutrino Species In The Early Universe
南极望远镜（SPT）、阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）都报告了宇宙微波背景辐射（CMB）角功率谱的测量结果，这表明除了粒子物理学的标准模型中包含的三种中微子之外，还存在大约一种额外的中微子。中微子通过增加辐射密度来影响宇宙微波背景辐射，从而改变宇宙在复合之前的膨胀速率。在本文中，我们考虑了另一种可能性，这些测量所暗示的多余动能是由暗物质粒子所拥有的，这些粒子是通过非热机制产生的，比如晚期衰变。特别是，我们发现，如果今天宇宙中的一小部分（<1%）暗物质是通过一个重的和相对长寿命的状态的衰变产生的，宇宙的膨胀历史可能与标准宇宙学模型中预测的中微子没有区别。此外，如果这些衰变发生在大爆炸核合成完成之后，这种情况可以避免与轻元素丰度测量所偏好的三种中微子物种的值的紧张关系。
2011-12-02 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Simulating realistic Lyman-$α$ emitting galaxies including the effect of radiative transfer
Missouri University of Science and Technology（密苏里科技大学）；Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI), University of Tokyo（东京大学宇宙物质研究科 Kavli 宇宙物理数学研究所 (Kavli IPMU, WPI)）；Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie, Universität Heidelberg（海德堡大学天文学计算研究所，天文中心）；Max-Planck-Institut für Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；Institut für Theoretische Astrophysik, Universität Heidelberg（海德堡大学理论天体物理研究所）
本文提出了一种模拟红移2-3的Lyman-α发射星系的模型，结合经验性模型与辐射传输方法，校准参数以重现观测数据，并提供高保真合成目录。
2025-11-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
