A Limit on the Total Lepton Number in the Universe from BBN and the CMB
CERN（欧洲核子研究中心）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
该研究通过BBN和CMB限制宇宙总轻子数，提出新的计算框架并公开代码，为中微子动力学提供了新的分析工具。
2025-12-05 astro-ph.CO hep-ph
Joint CMB and BBN Constraints on Light Dark Sectors with Dark Radiation
暗扇区为热产生亚GeV暗物质提供了一个令人信服的理论框架，并激发了一个广泛的新加速器和直接探测实验计划。我们证明了约束这样的黑暗部门使用测量的有效数的中微子物种，$N_\text{eff}$，从宇宙微波背景（CMB）和原始元素丰度从大爆炸核合成（BBN）。作为一个具体的例子，我们考虑一个任意自旋的暗物质粒子，它通过一个大质量的暗光子与标准模型相互作用，从而在暗区产生任意数量的光自由度。我们排除暗物质质量低于$\sim$ 4兆电子伏在95%的置信度为所有暗物质自旋和暗光子质量。这些界限保持不管额外的新的光，惰性自由度在黑暗的部门，和暗物质-电子散射截面许多数量级低于目前的实验限制。这些限制的强度只会随着未来的CMB实验而继续改善。
2022-08-18 astro-ph.CO hep-ph
The Role of Big Bang Nucleosynthesis in Joint Cosmological Analyses
Boston University（波士顿大学）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本研究利用普朗克CMB和DESI DR2 BAO数据，首次在联合分析中边缘化BBN干扰参数，给出精确的哈勃常数和有效中微子数，并建议BBN处理流程以准确考虑预测不确定性。
2026-10-02 astro-ph.CO hep-ph
Primordial lepton asymmetries in the precision cosmology era: Current status and future sensitivities from BBN and the CMB
使用一个新的极端贫金属系统的样本，EMPRESS调查最近报告了一个原始的氦丰度是$3σ$小于从标准的大爆炸核合成（BBN）方案的预测。这个测量可以解释为电子中微子味中原始轻子不对称性的暗示。EMPRESS结果的启发，我们提出了一个全面的分析轻子不对称性的测量原始元素的丰度，随着宇宙微波背景（CMB）数据从普朗克。假设我们的宇宙中没有暗辐射，我们发现电子中微子化学势$ξ_{ν_e} = 0.043 \pm 0.015$，它偏离零$2.9σ$。如果不假设宇宙中暗辐射的丰度，化学势为$ξ_{ν_e} = 0.046 \pm 0.021$，它与零的偏差为$2.2σ$。我们还发现，这一结果是相当不敏感的核反应速率的选择。如果氦的真实丰度与EMPRESS中心值相对应，那么西蒙斯天文台和CMB-S4未来的CMB观测将分别增加非零轻子不对称性对$4σ$和$5σ$的重要性（假设没有暗辐射），或对$3σ$的重要性（假设没有暗辐射的丰度）。
2023-02-23 astro-ph.CO hep-ph
CMB anisotropy and BBN constraints on pre-recombination decay of dark matter to visible particles
在复合时期附近注入高能电磁粒子可以修改标准复合历史，从而修改CMB各向异性功率谱。先前的研究已经对复合时代（红移$z\lesssim 4500$）周围的电磁能量注入量提出了严格的限制。然而，以高能（$>$ keV）可见标准模型粒子的形式注入的能量不是瞬时沉积的。能量注入的时间和所有能量都沉积到背景重子气体和CMB光子上的时间之间有相当大的延迟，再加上测量CMB各向异性的非凡精度，意味着CMB各向异性对在复合时期之前注入的能量很敏感。我们发现，CMB各向异性功率谱是敏感的能量注入，即使在$z = 10000$，给予更强的约束相比，大爆炸核合成和CMB频谱失真。我们推导出，使用普朗克CMB数据，通过显式地发展膨胀宇宙中的电磁级联，从而扩展以前的约束，以较低的粒子寿命长寿命的不稳定粒子衰变在红移$z\lesssim 10000$（寿命$τ_X\gtrsim 10^{11}$ s）的约束。我们还重新审视BBN约束，并表明延迟注入的能量是重要的BBN约束。我们发现，当我们放松准静态或现场假设时，约束可以减弱几个到几乎一个数量级的因素，这取决于能量。
2019-12-18 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
BBN constraints on the annihilation of MeV-scale dark matter
兆电子伏尺度的热暗物质面临着各种宇宙学探测器的严格限制。在这里，我们执行一个详细的评估BBN边界上的湮灭截面的暗物质与质量$1\,\text{MeV} \lesssim m_χ\lesssim 1\,\text{GeV}$。对于$p波抑制湮灭，约束BBN原来是显着强于CMB观测，并与其他间接搜索的最强界限的竞争。此外，我们更新的下限从BBN的热暗物质的质量使用改进的测定原始丰度。虽然与CMB的相应约束具有相似的强度，但它对粒子物理模型的变化具有更强的鲁棒性。
2019-05-09 astro-ph.CO hep-ph
Addendum to: Update on neutrino mixing in the early Universe
根据最近的WMAP结果，我们更新了一类非标准BBN模型的约束条件，该模型同时具有非标准中微子分布和膨胀率中额外的有效中微子数。这些模型可以用两个参数Δ N_nu^tot和Δ N_nu^rho来描述，Δ N_nu^tot受原始氦丰度Y_p测量的约束，Δ N_nu^rho受CMB和原始氘数据的组合的约束。建议与标准BBN的小偏差。不同的非标准场景可以通过差Δ N_nu^f_nu= Δ N_nu^tot-Delta N_nu^rho的测量来区分。根据目前的数据，我们估计Delta N_nu^f_nu simeq-1.4 ^{+0.9}_{-1.4}，稍微不利于具有低膨胀率的解，其特征在于Delta N_nu^f_nu=0和负Delta N_nu^rho。只有当Y_pgtrsim> 0.24时，活性-无菌中微子混合才是一个可行的解释。大的正中微子化学势xi_i sim 0.05的存在，意味着Delta N_nu^rho simeq 0，可能是对所分析的非标准BBN模型中的数据的一种解释。有趣的是，它也将提供一种方法，以逃避宇宙学界限的“A 3+1”类四中微子混合模型。还考虑了一个衰变的无菌中微子的情况。
2003-03-31 astro-ph hep-ph
Light WIMPs, Equivalent Neutrinos, BBN, and the CMB
将最近对氦和氘原始丰度的观测测定结果的更新与BBN的预测进行比较，以推断重子与光子的普适比（或目前的宇宙重子质量密度参数Omega_B h^2），并限制中微子的有效数（N_eff）和等效中微子数（Δ N_nu）。这些BBN的结果进行比较，来自独立的普朗克CMB数据。在没有轻WIMP（chi）的情况下，N_eff = 3.05（1 + Delta N_nu/3）。在这种情况下，BBN和CMB之间有很好的一致性，但联合拟合发现Δ N_nu = 0.40 +/- 0.17，不利于2.4 σ的标准大爆炸核合成（SBBN：Δ N_nu = 0），以及3.5 σ的无菌中微子（Δ N_nu = 1）。在存在轻WIMP的情况下，N_eff和Delta N_nu之间的关系取决于WIMP质量，导致N_eff、Delta N_nu和m_chi之间的简并。互补和独立的BBN和CMB数据可以打破这些简并。根据光WIMP（马约拉纳或狄拉克费米子，实标量或复标量）的性质，联合BBN + CMB分析将m_chi的下限设定在0.5至5 MeV的范围内，并且它们确定了m_chi在5至10 MeV范围内的最佳拟合值。BBN + CMB的联合分析发现了等效中微子数的最佳拟合值，Δ N_nu = 0.65，几乎与WIMP的性质无关。最佳拟合仍然不支持不存在暗辐射（在95%的置信度下，Δ N_nu = 0），同时允许存在无菌…
2014-01-21 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
BBN And The CMB Constrain Light, Electromagnetically Coupled WIMPs
在轻WIMP（< 30 MeV）存在下，WIMP的性质、与标准模型粒子的耦合、质量m_chi和超出标准模型的等效中微子数Δ N_nu之间存在简并。这些简并不能被CMB对中微子有效数N_eff的限制所打破。然而，大爆炸核合成（BBN）是由一个轻的WIMP和等效的中微子，所以BBN和CMB的组合可以打破一些简并。在这里，我们探讨了在存在轻弱相互作用和等效中微子的情况下BBN对丰度的预测，并利用观测确定的残余丰度估计值来限制m_chi、Δ N_nu和当前宇宙重子密度（Ω_B h ^2）。这些限制进行了探讨马约拉纳和狄拉克费米子WIMP，以及真正的和复杂的标量WIMP耦合到电子，正电子和光子。在另一篇论文中，我们对只与标准模型中微子耦合的弱相互作用粒子重复了这一分析，并对这两种情况的约束条件进行了对比。如果没有轻弱相互作用，但考虑到等效中微子，BBN和CMB的组合约束有利于N_eff = 3.46 +/- 0.17，Omega_B h^2 = 0.0224 +/- 0.0003，Delta N_nu = 0.40 +/- 0.17。在这种情况下，标准的BBN（Δ N_nu = 0）在~98%的置信度下是不利的，而一个无菌中微子（Δ N_nu = 1）的存在在> 99%的置信度下是不利的。如果同时考虑一个轻的WIMP和Delta N_nu等效中微子，BBN和CMB的组合数据提供了WIMP质量…
2014-04-04 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
Using BBN in cosmological parameter extraction from CMB: a forecast for Planck
未来的高精度宇宙微波背景（CMB）测量数据将对原始氦丰度$Y_p$敏感。同时，这个参数可以从大爆炸核合成（BBN）中预测，作为重子和辐射密度的函数，以及中微子化学势。我们建议使用这些信息施加一个自洽的BBN之前$Y_p$，并确定其影响参数推断模拟普朗克数据。我们发现，这种方法可以显着提高宇宙学参数的分析相比，把$Y_p$作为一个自由参数的界限，如果中微子化学势是采取消失。我们证明，固定氦分数为任意值可以严重偏差参数估计。在简并BBN的假设下（即，让中微子化学势$ξ$变化），BBN先验的约束能力有所减弱，但仍然允许我们以与从轻元素丰度的现有数据推断的界限相媲美的精度来约束$ξ$。
2008-03-05 astro-ph hep-ph
Neutrinos and BBN (and the CMB)
在大爆炸核合成（BBN）期间，在宇宙演化的前20分钟，轻核素D，3 He，4 He和7 Li以天体物理学上有趣的丰度合成。目前观测到的宇宙微波背景辐射（CMB）最后一次散射是在大约40万年之后。BBN和CMB（补充了最近的大尺度结构数据），提供了宇宙早期演化的补充探针，并使对其中高温/能量物理过程的约束成为可能。在这篇综述中，两个物理量，重子密度参数和膨胀率参数的预测和观测，比较一下，看看在这两个相距甚远的时期，理论和观测是否一致。在肯定地回答了这个问题之后，讨论了这种一致性对粒子物理学和宇宙学的标准模型之外的物理学的影响。
2008-07-18 astro-ph hep-ph
The Impact of New d(p,γ)He3 Rates on Big Bang Nucleosynthesis
我们考虑了LUNA协作组对$d(p,γ){}^3$ He截面的新测量对大爆炸核合成（BBN）的影响。这些对D/H的原始丰度有重要影响，而原始丰度对BBN时的重子密度也很敏感。我们已经重新评估了这个反应的热速率，使用横截面数据的世界平均值，我们描述与模型无关的多项式，我们的结果是在良好的协议与类似的分析LUNA。然后，我们执行一个完整的似然分析结合BBN和普朗克宇宙微波背景（CMB）的似然链使用新的速率结合以前的测量和比较使用以前的速率的结果。BBN和CMB测量的各向异性频谱使用旧的利率之间的一致性是极好的。预测的重子密度普朗克值的氘丰度是$({\rm D/H})_{\rm BBN+CMB}^{\rm old} = (2.57 \pm 0.13) \times 10^{-5}$，这可以与类星体吸收系统$({\rm D/H})_{\rm obs} = (2.55 \pm 0.03) \times 10^{-5} $确定的值进行比较。使用新的速率，我们发现$({\rm D/H})_{\rm BBN+CMB} = (2.51 \pm 0.11) \times 10^{-5}$。因此，我们发现BBN理论，氘和${}^4$他的意见，和CMB之间的一致性，当使用反应速率适合在我们的数据驱动的方法。我们还发现，新的反应数据收紧的相对论自由度在BBN的数量的限制，给出轻中微子物种的有效数量$N_ν=…
2020-11-27 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
The BAO+BBN take on the Hubble tension
许多试图用扩展的宇宙学模型来解决哈勃张力的尝试，都是在背景宇宙学的水平上，将增强的遗迹辐射密度与影响宇宙学扰动演化的新物理成分结合起来。几位作者指出，结合重子声学振荡（BAO）和大爆炸核合成（BBN）的数据，可以独立于CMB图和超新星数据来探测背景宇宙学历史。使用国家的最先进的假设BBN，我们确认，结合BAO，氘，氦数据与SH0ES测量下的$Λ$ CDM假设在3.2 $σ$水平的紧张局势，而在与CMB值密切一致。我们随后表明，浮动的辐射密度参数$N_\mathrm{eff}$只减少了张力下降到2.6 $σ$的水平。这一结论完全独立于任何CMB数据，表明高$N_\mathrm{eff}$解释额外的遗迹（自由流或自相互作用）并不能为危机提供明显的解决方案，甚至在背景宇宙学的水平上也不能。为了规避这种强约束，（i）额外的辐射必须在BBN之后产生，以避免氦约束，以及（ii）必须在扰动水平上调用额外的成分，以使这种额外的辐射与CMB和LSS数据相一致。
2019-08-08 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Improved BBN Constraints on the Variation of the Gravitational Constant
大爆炸核合成（BBN）对宇宙膨胀率非常敏感。如果引力常量$G$在核合成时期的值与今天不同，那么轻元素的原始丰度就会受到影响。在这项工作中，我们改进了这种变化的界限，使用最近的原始元素丰度的测定，更新的核和弱反应速率和观测的宇宙微波背景（CMB）。当结合测量的丰度和普朗克的CMB观测的重子密度，我们发现$G_\mathrm{BBN}/G_0 = 0.99^{+0.06}_{-0.05}$在$2σ$的置信水平。如果$G$随时间的变化是线性的，我们发现$\dot{G}/G_0 = 0.7^{+3.8}_{-4.3}\times 10^{-12} \, \mathrm{yr}^{-1}$，也是在$2σ$。这些边界是显着强于以前的原始核合成研究，并与CMB，恒星，太阳系，月球激光测距，脉冲星定时和引力波的限制。
2020-02-05 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Cosmological Parameter Estimation with a Joint-Likelihood Analysis of the Cosmic Microwave Background and Big Bang Nucleosynthesis
New York University（纽约大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）；Boston University（波士顿大学）；University of Chicago（芝加哥大学）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Harvard University（哈佛大学）
本文通过联合分析CMB和BBN数据，利用贝叶斯推断确定有效中微子种类数，并评估Lambda冷暗物质模型的可靠性。
2025-11-27 astro-ph.CO hep-ph
Measuring the baryon content of the universe: BBN vs CMB
重子的残余丰度--我们唯一确定存在的稳定物质--是许多宇宙学过程的关键参数，也是标准模型之外存在新物理学的物质证据。我们讨论了最近确定的宇宙学重子密度的分析轻元素的丰度合成结束时的“前三分钟”，并从观察到的温度各向异性印在小角尺度上的宇宙微波背景时，宇宙是大约100，000岁。
2002-05-08 astro-ph hep-ph
Limits on Brane-World and Particle Dark Radiation from Big Bang Nucleosynthesis and the CMB
暗辐射这个术语既用来描述没有相互作用的中微子，也用来修正最简单的五维RS-II膜世界宇宙学中的弗里德曼方程。本文根据轻元素核反应率、观测到的轻元素丰度和宇宙微波背景（CMB）功率谱的最新结果，考虑了暗辐射两种含义的限制。在大爆炸核合成（BBN）过程中加入暗辐射改变了弗里德曼膨胀率，导致核反应在不同的温度下冻结。这改变了BBN末端的最终轻元素丰度。它对CMB的影响是改变末次散射表面的有效膨胀率。我们发现，BBN约束减少了允许的范围为两种类型的暗辐射在10兆电子伏之间的$-12.1\%$和$+6.2\%$的{ \bf总}背景能量密度在10兆电子伏。将这个结果与CMB功率谱的拟合相结合，产生了粒子与膜世界暗辐射的不同结果。在膜世界中，范围从$-6.0\%$减小到$+6.2\%$。因此，我们发现，暗辐射的背景总相对论质量能量密度$ρ_{\rm DR}/ρ$的比例是一致的，虽然仍然有一个非常轻微的偏好为正（而不是负）的贡献。
2017-06-08 astro-ph.CO hep-ph
New observational limits on dark radiation in brane-world cosmology
在最简单的五维RS-II膜世界宇宙学中，暗辐射项是对能量动量张量的修正。在本文中，我们重新审视暗辐射的基础上的最新结果轻元素核反应率，观测到的轻元素丰度和功率谱的宇宙微波背景（CMB）。在大爆炸核合成过程中加入暗辐射改变了弗里德曼膨胀率，导致核反应在不同的温度下冻结。这改变了BBN末端的最终轻元素丰度。它对CMB的影响是改变末次散射表面的有效膨胀率。我们发现，我们所采用的BBN约束减少了暗辐射的允许范围之间的$-12.1\%$和$+6.2\%$的环境背景能量密度。将该结果与CMB功率谱的拟合相结合，范围减小到$-6.0\%$到$+6.2\%$。因此，我们发现，暗辐射的背景总相对论质量能量密度$ρ_{\rm DR}/ρ$的比例是一致的，虽然在BBN分析可能有轻微的偏好为负的贡献。然而，BBN约束强烈依赖于所采用的原始氦丰度。
2017-01-01 astro-ph.CO hep-ph
Light WIMPs And Equivalent Neutrinos
非常轻的WIMP（chi），在早期宇宙后期湮灭的热遗迹，改变了BBN和复合时的能量和熵密度。BBN与CMB相结合，可以消除轻WIMP和等效中微子之间的一些简并性，限制它们的存在和性质。根据光WIMP（马约拉纳或狄拉克费米子，实标量或复标量）的性质，联合BBN + CMB分析将下限设定为0.5 - 5 MeV（m_chi/m_e > 1 - 10）的范围内的m_chi，它们确定了5 - 10 MeV范围内的m_chi的最佳拟合值。BBN + CMB联合分析发现等效中微子数的最佳拟合值Δ N_nu ~ 0.65，几乎与WIMP的性质无关。在没有轻WIMP（m_chi > 20 MeV）的情况下，N_eff = 3.05（1 + Delta N_nu /3）。在这种情况下，BBN和CMB之间有很好的一致性，但联合拟合显示Δ N_nu = 0.40+-0.17，不利于标准大爆炸核合成（SBBN）（Δ N_nu = 0）在~ 2.4 sigma，以及一个不育中微子（Δ N_nu = 1）在~ 3.5 sigma。最佳的BBN + CMB联合拟合不利于暗辐射的缺乏（Δ N_nu = 0，约95%的置信度），而允许存在无菌中微子（Δ N_nu = 1，约1 σ）。对于这里考虑的所有情况，锂问题仍然存在。这些结果在TAUP 2013会议上发表，基于Nollett & Steigman（2013）。
2014-02-21 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
Big Bang Nucleosynthesis, Implications of Recent CMB Data and Supersymmetric Dark Matter
本文评述了BBN对轻元素同位素丰度的预测，并与最近的观测数据进行了比较。标准BBN的唯一未知参数是重子光子比η，可以通过理论和观测的一致性来确定。最近的CMB各向异性测量也导致了η的测定，这些结果与BBN的结果进行了对比。此外，CMB的数据表明宇宙在空间上是平坦的。因此，很明显，某种形式的非重子暗物质或暗能量是必要的。在这里，我也将审查目前的期望冷暗物质从最小的超对称模型。探测超对称暗物质的可行性也将被讨论。
2002-03-01 astro-ph hep-ph
Limits on Non-Relativistic Matter During Big-Bang Nucleosynthesis
本文研究大爆炸核合成期间非相对论无压物质的衰变效应，利用轻元素丰度和CMB数据限制其寿命与密度，发现电磁衰变物质可更好地拟合Planck给出的N_ν偏低结果，并给出参数限制。
2024-01-16 astro-ph.CO hep-ph
The LBT $Y_{\rm p}$ Project V: Cosmological Implications of a New Determination of Primordial $^4$He
TRIUMF（特利安夫实验室）；William I. Fine Theoretical Physics Institute, School of Physics and Astronomy, University of Minnesota（明尼苏达大学物理与天文学院威廉·I·芬理论物理研究所）；University of Illinois（伊利诺伊大学）；Gonzaga University（冈萨加大学）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）；Northwestern University（西北大学）；University of Minnesota（明尼苏达大学）
LBT Y_p项目通过新确定的原初^4He丰度，结合氘测量和BBN模型，得出宇宙质子-光子比和轻子种类数，验证了标准模型与宇宙学的一致性。
2026-01-29 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological Implications of Gauged $U(1)_{B-L}$ on $ΔN_{\rm eff}$ in the CMB and BBN
本文研究了源自规范 U(1)_{B-L} 的轻玻色子 X 通过冻结产生对 CMB 和 BBN 中 ΔN_eff 的影响，发现该规范对称性受 ΔN_eff 约束比以往更强，且未来 CMB 观测可探索新的参数空间。
2024-04-29 astro-ph.CO hep-ph
Constraining The Early-Universe Baryon Density And Expansion Rate
我们探索宇宙学和粒子物理学的标准模型的扩展的限制，修改早期宇宙膨胀率S = H '/H（参数化的有效中微子数N_nu）。比较了20分钟BBN与400 kyr CMB和14 Gyr LSS的N_nu和重子密度参数（eta_B = n_B/n_gamma = 10^（-10）* eta_10）的约束。BBN对N_nu提供了最强的约束（在95%置信度下1.6 < N_nu < 3.3），但对eta_B提供了较弱的约束。CMB/LSS最好地约束了重子密度（在95%置信度下为5.9 < eta_10 < 6.4），与N_nu无关，但提供了相对较弱的N_nu约束，与N_nu = 3一致。使用最佳拟合值和CMB/LSS导出的参数的允许范围来计算BBN预测的原始丰度产生与观测推断的氘丰度和与4 He的良好一致性的极好的协议，确认BBN和CMB/LSS结果之间的一致性。然而，BBN预测的7 Li丰度很高，是3倍或更多。我们评论的N_nu值和一个可能的异常推断的Ly-alpha森林观测的物质功率谱。我们的BBN和CMB/LSS结果之间的良好一致性允许我们限制任何BBN后熵产生以及限制任何非热化相对论粒子的产生，并允许我们将它们结合起来，发现95%的范围，1.8 < N_nu < 3.2和5.9 < eta_10 < 6.4。
2008-06-30 astro-ph hep-ph nucl-th
LINX: A Fast, Differentiable, and Extensible Big Bang Nucleosynthesis Package
New York University（纽约大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）；Boston University（波士顿大学）；University of Chicago（芝加哥大学）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
LINX是一种基于JAX的可微分大爆炸核合成代码，可快速进行参数估计，并支持与CMB功率谱模拟器联合分析。
2025-11-27 astro-ph.CO hep-ph
MeV-scale Seesaw and Leptogenesis
我们研究了具有三个右手中微子且Majorana质量低于π介子质量的I型跷跷板模型。在这个质量范围内，模型参数空间不仅受到解释轻中微子质量的要求的强烈约束，而且还受到实验研究和宇宙学考虑的约束。在现有的文献中，已经确定了潜在可行参数空间的三个不相交区域。在其中一个星系中，所有的重中微子都在大爆炸核合成前不久衰变。在其他两个区域，其中一个重中微子要么在BBN和CMB退耦之间衰变，要么是准稳定的。我们表明，以前未考虑的限制，从光致衰变的核几乎排除了所有相关的衰变之间发生的BBN和CMB去耦。非常值得注意的是，如果所有的重中微子都在BBN之前衰变，宇宙的重子不对称性可以用低尺度的轻子生成来解释，也就是说，除了避免实验和宇宙学约束所需的调整之外，不需要进一步的调整。这激发了在π衰变实验中寻找重中微子的动机。
2021-04-13 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on primordial lepton asymmetries with full neutrino transport
本文针对原初中微子不对称性限制的简化方法缺陷，结合MeV时代中微子演化代码与BBN计算，解决味平衡不成立和再加热相关问题，发现当前观测下初始不对称性空间无界，预测未来CMB实验可扭转此局面。
2024-11-27 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological Bounds on sub-GeV Dark Vector Bosons from Electromagnetic Energy Injection
新的暗矢量玻色子可以在早期宇宙中产生，并在大爆炸核合成（BBN）或复合时形成宇宙微波背景（CMB）后衰变。这种衰变注入的能量可以改变轻元素丰度或修改CMB的功率和频谱。在这项工作中，我们研究了这些效应对一系列亚GeV暗矢量的约束，包括动力学混合暗光子，$B-L$，$L_e-L_μ$，$L_e-L_τ$和$L_μ-L_τ$暗U（1）玻色子。我们专注于电磁能量注入的影响，我们更新了以前的调查暗光子和其他暗矢量衰变考虑到非普适性的光子级联光谱相关的BBN和能量依赖性的电离效率后重组在我们的治疗修改CMB。
2020-04-22 astro-ph.CO hep-ph
Primordial Helium And the Cosmic Background Radiation
原始核合成的产物和宇宙微波背景（CMB）光子是宇宙早期演化的遗迹，它们的观测探索了宇宙学的标准模型，并为宇宙学和粒子物理学的标准模型之外的新物理学提供了窗口。在标准的热大爆炸宇宙学中，早在任何恒星形成之前，宇宙中重子质量的很大一部分（~25%）就应该是氦-4核的形式。由于目前的4 He观测仅限于恒星核合成发生的低红移区域，因此对高红移的星前4 He的观测将构成对热大爆炸宇宙学的基本测试。在复合时，在大爆炸核合成（BBN）结束很久之后，CMB上的温度各向异性谱取决于4 He丰度，通过其与电子密度的联系以及电子密度对Silk阻尼的影响。由于4 He的残余丰度对重子的普遍密度相对不敏感，但对非标准的早期宇宙膨胀率敏感，因此4 He的原始质量分数Yp提供了对BBN和CMB的标准模型的一致性的测试，并提供了对非标准物理的约束。在这里，WMAP七年的数据（补充其他CMB实验），这导致在高红移Yp的间接测定，进行比较的BBN预测和独立的，直接的观测4 He在低红移，河外HII地区。目前，由于CMB测定的原始4 He丰度（以及从H II区观测推断的氦丰度）存在很大的不确定性，BBN预测和CMB观测之间的任何差异都很小，在< 1.5 sigma的水平。
2010-04-29 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Probing the BSM physics with CMB precision cosmology: an application to supersymmetry
在BBN之前的宇宙历史是由粒子物理学的标准模型（BSM）之外的物理学高度决定的，并且它在观测上受到很差的约束。正在进行的和未来的CMB观测值的精确测量可以为我们提供有关前BBN时代的重要信息，因此可能会测试不同BSM场景的宇宙学预测。超对称性是一个特别有动机的BSM理论，通常情况下，不同的超对称性破缺方案需要不同的宇宙历史，具有特定的再加热温度或低熵产生，以便在宇宙学上可行。在本文中，我们量化的影响可能的替代宇宙历史的$n_s$和$r$ CMB观测值假设一个通用的非热阶段后，宇宙暴胀。我们分析了TeV，特别是多TeV的超对称性破缺计划假设中性子和引力子暗物质的情况下。我们补充我们的分析考虑Starobinsky $R^2$通货膨胀模型来验证改进的CMB预测，早期宇宙宇宙演化的统一描述产生。我们的分析强调了CMB精确测量的重要性，在某种程度上，可以看作是对超对称性或其他BSM理论的实验室实验研究的补充。
2018-03-07 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Early Universe Constraints on Variations in Fundamental Constants Induced by Ultralight Scalar Dark Matter
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of Oregon（俄勒冈大学）
本研究探讨超轻暗物质（ULDM）与标准模型粒子二次耦合诱导的基本常数变化的早期宇宙约束，结合CMB和重子声学振荡数据，发现其对低质量ULDM的耦合变化约束更严，且无法解决哈勃张力。
2025-11-18 astro-ph.CO hep-ph
A Rich Tapestry: Supersymmetric Axions, Dark Radiation, and Inflationary Reheating
我们利用超对称性、暴胀、轴子、大爆炸核合成（BBN）和宇宙微波背景辐射（CMB）之间的互补性，结合最近的Planck和BICEP结果来约束超对称轴子模型.特别是，我们得到BBN边界来自改变轻元素丰度考虑到强子和电磁能量注入，和CMB约束黑体光谱失真。最后，我们概述了这些超对称模型的可行与排除的区域，可能占观察到的温和的暗辐射。
2014-11-29 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Revisiting cosmological bounds on sterile neutrinos
我们采用最先进的宇宙学观测，包括超新星调查和BAO信息提供的非共振产生的不育中微子物种的质量和混合角的约束，表明宇宙学可以有效地排除不育中微子衰变之间的BBN和今天。额外的重中微子物质的退耦可以改变宇宙在BBN和复合之间膨胀的时间依赖性，在极端情况下，会导致额外的物质主导时期;虽然这可能会天真地导致一个更年轻的宇宙，具有更大的哈勃参数，但它可以在以后通过来自无菌衰变的中微子形式的额外辐射来补偿。然而，复合时代的可观测量，包括宇宙微波背景（CMB），位移参数$R_{CMB}$和声音视界$r_s$从重子声学振荡（BAO）严重限制了这种情况。我们自洽地包括完整的时间演化的耦合无菌中微子和标准模型部门的MCMC，表明，如果衰变发生后BBN，无菌中微子基本上是由约束$\sin^2θ\lesssim 0.026 (m_s/\mathrm{eV})^{-2}$。
2015-02-19 astro-ph.CO hep-ph
BBN Constraints on the Hadronic Annihilation of sub-GeV Dark Matter
Department of Physics and Astronomy, University of Victoria（维多利亚大学物理与天文系）；TRIUMF（特利昂夫国家粒子加速器中心）；University of Victoria（维多利亚大学）
研究亚GeV暗物质通过p波湮灭在BBN中的约束，发现其对质子和中子的相互作用优于CMB和间接检测。
2026-09-16 hep-ph
Primordial Nucleosynthesis with CMB Inputs: Probing the Early Universe and Light Element Astrophysics
宇宙微波背景（CMB）对重子-光子比$η\propto Ω_{\rm baryon} h^2$的测定将从（标准）大爆炸核合成（BBN）计算中删除最后一个自由参数。这将使BBN成为早期宇宙物理学的更敏锐的探测器，例如，大大改进了BBN对轻中微子种类$N_{ν,eff}$的有效数量的测量。我们展示了如何CMB可以提高这一限制，目前的轻元素数据。此外，通过使用其他元素，特别是氘，将有可能独立于\he 4来限制$N_{ν,eff}$;这将允许更严格的限制和系统学测试。例如，如果$η\sim 6.0\times 10^{-10}$为$η$，则3%的$η$测量值与10%（3%）的原始D/H测量值一起可以测量$N_{ν,eff}$至$σ_{95%}(N_ν) = 1.8$（1.0）的95%置信水平。如果采用标准模型值$N_{ν,eff}=3$，则可以使用CMB的$η$（及其不确定性）对原始丰度进行准确预测。这些决定可以反过来成为关键的投入，在核合成历史（化学演化）的星系，从而对这些模型的约束。
2001-05-22 astro-ph hep-ph nucl-th
Primordial Nucleosynthesis in Light of WMAP
大爆炸核合成长期以来一直是宇宙重子密度$\omb h^2$，或重子光子比η的主要测定方法。最近，CMB各向异性的数据对η变得越来越敏感。这两种独立测量的比较为大爆炸宇宙学提供了一个关键的检验。威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）首次发布的结果标志着这项测试的里程碑。由于WMAP的精度，CMB现在对η提供了明显更强的约束。我们讨论了BBN理论和轻元素观测的现状（包括它们可能存在的残留系统误差）。由此产生的BBN重子密度预测与WMAP预测总体一致，这是对热大爆炸宇宙学的重要而非平凡的确认。除此之外，强大的CMB气压计可以用作BBN的输入，人们可以准确地预测原始轻元素丰度。通过与观测结果的比较，人们可以对后BBN核合成过程和相关的天体物理学有新的认识。最后，人们可以在BBN时代测试非标准物理的可能性，现在所有的轻元素都可以作为探针。事实上，在WMAP的精度η下，氘已经开始与\he 4对非标准物理的灵敏度相媲美，而额外的D/H测量可以进一步改善这一点。
2003-09-08 astro-ph hep-ph
Neutrinos And Big Bang Nucleosynthesis
根据粒子物理学和宇宙学的标准模型，当前宇宙中应该存在类似于宇宙微波光子背景的宇宙中微子背景。弱相互作用的弱点使得中微子背景无法用现有技术检测到。然而，宇宙中微子背景可以通过它对大爆炸核合成（BBN）和宇宙微波背景（CMB）辐射的宇宙学效应间接探测。在这篇BBN评论中，重点关注中微子，更一般地说是暗辐射，对“等效中微子”（暗辐射）的数量，重子不对称性（重子密度）和可能的轻子不对称性（中微子简并度）的BBN约束进行了审查和更新。BBN对暗辐射和重子密度的限制来自于对氘和氦-4的原始丰度的考虑，与CMB的互补结果非常一致，提供了一个暗示性的，但目前还没有定论的暗辐射存在的暗示，它们限制了任何轻子的不对称性。对于这里考虑的所有情况，都存在一个“锂问题”：BBN预测的锂丰度超过观测推断的原始值约3倍。
2012-07-31 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
Present status of primordial nucleosynthesis after WMAP: results from a new BBN code
本文根据WMAP实验中CMB各向异性的最新结果，对原始核合成的现状进行了报道。核丰度的理论估计，以及相应的不确定性，使用一个新的数字代码，通常认为所有的核率已更新使用最新的可用数据进行评估。此外，还包括了以前计算中忽略的其他过程。结合CMB和氘的原始核合成预测的分析，给出了与最简单的三个非简并中微子的情况很好地一致的相对论自由度的有效数目。我们的研究结果似乎指出了可能的系统影响4He质量分数测量，或外来物理的影响，如轻微退化的遗迹中微子背景。
2004-03-15 astro-ph hep-ph
Big-Bang Nucleosynthesis After Planck
我们根据最终的普朗克数据发布和其他最近的发展，并在未来的测量预期大爆炸核合成（BBN）的状态进行评估。普朗克数据将宇宙重子密度固定在0.9%的精度，并确定氦丰度和中微子的有效数，其精度分别接近天文和BBN测量。此外，新的高红移测量使D/H比理论预测更精确，新的Li/H数据再次证实了锂问题。我们提出了新的${}^{7}{\rm Be}(n,p){}^{7}{\rm Li}$率使用新的中子捕获测量，我们还研究了拟议的变化的影响，$d(p,γ){}^{3}{\rm He}$率。利用这些结果，我们进行了一系列的可能性分析。我们评估BBN/CMB的一致性，注意我们的结果如何取决于普朗克数据的选择，以及结果如何取决于非BBN，非普朗克数据集的选择。最重要的是，锂问题仍然存在，而且在D/H观测约束非常严格的情况下确实更加严重;新的中子俘获数据揭示了系统性，这在一定程度上增加了不确定性，因此稍微减少了问题，但基本上没有改变问题。我们证实，$d(p,γ){}^{3}{\rm He}$理论速率带来D/H的协议，并略有增加7锂，需要在BBN能量的新的实验数据。把锂的问题放在一边，我们发现BBN的中微子种类的有效数是$N_ν= 2.86 \pm 0.15$。未来的CMB第4阶段测量有望在BBN参数方面取得实质性的改进：氦丰度的测定将与最好的天文测定相竞争，而$N_{\rm eff}$将接近能够检测原始等离…
2019-12-03 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
Increasing Neff with particles in thermal equilibrium with neutrinos
最近关于增加早期宇宙中中微子种类（Neff）的有效数量的工作集中在引入额外的相对论性种类（“暗辐射”）。我们提请注意另一种可能性：一种质量小于10 MeV的新粒子，它与中微子保持热平衡，直到它成为非相对论性粒子，从而增加了中微子相对于光子的温度。我们证明，这导致一个值的Neff是大于3，在CMB形成的Neff是大于在BBN。我们调查这些粒子的约束，从原始丰度的氦和氘在BBN和从CMB功率谱ACT和SPT测量，发现他们目前相对不受约束。我们预测了普朗克卫星对这种情况的敏感性：除了显着改善对粒子质量的约束外，在参数空间的某些区域，它还可以区分新粒子是实标量还是复标量。
2012-12-17 astro-ph.CO hep-ph
Big Bang Nucleosynthesis
随着早期宇宙的膨胀和冷却，使中微子与物质保持热平衡的弱相互作用的速率以及使中子和质子相互转换的相关反应的速率降低。最终，这些速率低于膨胀速率--它们冻结了。同样地，强和电磁核反应的速度虽然快到足以在早期维持平衡，但会减慢并最终导致冻结。这些冻结过程共同组成了大爆炸核合成（BBN）的时代。早期出现的遗迹包括轻元素丰度，例如氦和氘，以及退耦中微子的背景，“C $ν$ B”，大致类似于宇宙微波背景，CMB。这些化石遗迹编码了早期宇宙中物理学运行的历史。因此，BBN已经成为约束新的超越标准模型（BSM）物理的关键工具。由于大型光学望远镜和第四阶段CMB实验的出现，预计氘和氦的原始丰度测量精度会更高，BBN可能成为BSM物理学的更精细探针。后者的实验也将提供更高精度的$N_{\rm eff}$测定，它是光子退耦时期相对论能量密度的测量，因此是C $ν$ B的重要探测器。
2023-01-28 astro-ph.CO hep-ph
Constraints from big bang nucleosynthesis and cosmological observations on varying Higgs vacuum expectation value
Beihang University（北京航空航天大学）；Institute for Basic Science（基础科学研究院）；Peking University（北京大学）
该研究通过分析希格斯真空期望值变化对核合成速率的影响，发现提高1.58%可调和轻元素丰度观测与CMB约束，0.2%提升可部分缓解宇宙锂问题。
2026-10-19 astro-ph.CO hep-ph nucl-th
What could an emerging Big Bang Nucleosynthesis discrepancy be hinting at?
Université de Montpellier（蒙彼利埃大学）；Universitat de València（瓦伦西亚大学）；Sorbonne Université（索邦大学）；Swarthmore College（斯沃斯莫尔学院）
研究原始氘丰度测量与标准大爆炸核合成预测的偏差，通过PRIMAT计算轻元素丰度并比较多种模型，发现vEDE成分可解决偏差，暗示宇宙学中可能存在另一个轻标量场。
2026-07-24 astro-ph.CO hep-ph
Massive sterile neutrinos in the early universe: From thermal decoupling to cosmological constraints
我们考虑相对较重的中微子$ν_H$，主要是对无菌状态$ν_s$的贡献，其质量在10 MeV $\lesssim m_s \lesssim m_π \sim 135$ MeV范围内，这是在早期宇宙中涉及活跃中微子的碰撞过程中热产生的，并在QCD相变后冻结。如果这些中微子在主动中微子去耦后衰变，它们会产生额外的中微子辐射，但也有助于熵产生。因此，它们改变了中微子种类$N_{\rm eff}$的有效数的值，例如通过宇宙微波背景（CMB）测量的，以及影响原始核合成（BBN），特别是${}^4$ He的产生。我们提供了一个详细的说明有关玻尔兹曼方程的解决方案。我们还确定了当前普朗克卫星数据所允许的参数空间，并预测了未来第4阶段地基CMB观测所探测的参数空间，预计将匹配或超过BBN灵敏度。
2021-07-31 astro-ph.CO hep-ph
Breaking Be: a sterile neutrino solution to the cosmological lithium problem
所谓的“锂问题”，即假设标准核合成的原始$^7$ Li的理论丰度与从天体物理测量推断的值之间的不一致，可以通过非热BBN机制解决的可能性已经由几位作者进行了研究。特别地，已经表明，MeV质量粒子的衰变，例如，BBN之后衰变的无菌中微子不仅解决了锂问题，而且满足宇宙学和实验室的限制，使得这种情况值得进一步详细研究。在本文中，我们结合当前的数据，包括普朗克2015年测量的温度和偏振各向异性的CMB，光谱失真的FIRAS限制，天体物理测量的原始丰度和实验室的限制，约束模型的参数。我们发现质量为$M_S=4.35_{-0.17}^{+0.13}\,MeV$（在$95\%$ c.l.）的无菌中微子，衰减时间$τ_S=1.8_{-1.3}^{+2.5}\cdot 10^5\,s$（在$95\%$ c.l.）和初始密度$\bar{n}_S/\bar{n}_{cmb}=1.7_{-0.6}^{+3.5}\cdot 10^{-4}$（在$95\%$ c.l.）以CMB光子数密度为单位，完美地解释了预测和观测到的$^7$ Li原始丰度之间的差异。该模型还预测了在$95\%$ c.l.下，CMB解耦$ΔN_{eff}^{cmb}\equiv N_{eff}^{cmb}-3.046=0.34_{-0.14}^{+0.16}$时相对论自由度的有效数目的增加。所需的无菌中微子丰度与宇宙的标准热历史不相容，但可…
2016-11-02 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on the curvature of the Universe and dynamical dark energy from the Full-shape and BAO data
我们提出了限制的$Λ$ CDM，$w_0$ CDM，和$w_0 w_a$ CDM模型的参数，从联合分析的全形状，重子声振荡（BAO），大爆炸核合成（BBN）和超新星的数据。我们的限制是完全独立的宇宙微波背景（CMB）各向异性的数据，但竞争对手的CMB的参数误差条的限制。我们发现空间曲率与平坦宇宙$Ω_k=-0.043_{-0.036}^{+0.036}$（$68\%$ C.L.）一致;暗能量状态方程参数$w_0$被测量为$w_0=-1.031_{-0.048}^{+0.052}$（$68\%$ C.L.），与宇宙常数一致这个结论也适用于时变的暗能量状态方程，我们发现了$w_0=-0.98_{-0.11}^{+0.099}$和$w_a=-0.33_{-0.48}^{+0.63}$（都在$68\%$ C.L.）。从分析中排除超新星数据并没有显著削弱我们的边界。这表明，使用一个单一的外部BBN先验，全形状和BAO数据可以提供强大的非最小宇宙学模型的CMB无关的约束。
2021-02-13 astro-ph.CO hep-ph
Photon to axion conversion during Big Bang Nucleosynthesis
本文研究大爆炸核合成期间CMB光子共振转换为majoron粒子对BBN的影响，发现该过程可缓解氘丰度2σ不匹配及锂问题。
2023-11-17 astro-ph.CO hep-ph hep-th
TASI Lectures on AstroParticle Physics
在天体粒子物理学的选定的主题，包括CMB，暗物质，BBN，和基本耦合的变化进行了讨论。
2005-03-03 astro-ph hep-ph
Heavy neutral leptons beyond the BBN bound: probing the lepton asymmetry of the Universe
Tohoku University（东北大学）；The University of Tokyo（东京大学）；CERN（欧洲核子研究中心）；Instituto de Física Teórica UAM-CSIC（马德里自治大学-西班牙高等科学研究所理论物理研究所）
本研究提出大轻子味不对称场景，使重中性轻子规避BBN限制，开辟新参数空间，SHiP或可探测，结合BBN与CMB可确定原初味不对称的剩余方向。
2026-08-26 astro-ph.CO hep-ph
Early Universe Tomography with CMB and Gravitational Waves
本文讨论了如何结合宇宙微波背景（CMB）测量和引力波（GW）直接探测实验重建宇宙的热历史。假设各种膨胀时代发生后，暴胀再加热和大爆炸核合成（BBN）之前，我们展示了如何测量的GW频谱可以用来打破与CMB数据，后者是敏感的宇宙膨胀的总量相关联的简并。在这种情况下，我们认为，从未来的CMB和GW实验的预期约束可以探测的情况下，存在后期的熵产生除了标准的再加热。我们表明，在某些情况下，结合未来的CMB和GW直接探测实验的数据，可以确定再加热温度，熵产生的量和标准辐射时代开始的温度。
2013-06-12 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Cosmological bounds on sub-MeV mass axions
质量大于0.7 eV的轴子被宇宙学精确数据排除在外，因为它们提供了太多的热暗物质。虽然对于质量超过20 eV的轴子寿命下降到宇宙的年龄以下，我们表明，宇宙学的排斥范围可以从0.7 eV扩展到300千电子伏，主要是由宇宙氘丰度：轴子衰变将强烈修改重子光子比在BBN相对于一个在CMB去耦。其他的论点包括中微子稀释相对于光子的轴子衰变和光谱CMB扭曲。我们新的宇宙学约束补充了恒星演化极限和实验室界限。
2011-01-21 astro-ph.CO hep-ph
Exploring sub-GeV dark matter via $s$-wave, $p$-wave, and resonance annihilation with CMB data
本研究利用现有及未来CMB数据，重新约束亚GeV暗物质的$s$波、$p$波及共振湮灭，更新相关上限并首次给出共振情形下媒介粒子分支比限制，凸显μ畸变与CMB各向异性的探测互补性。
2025-09-03 astro-ph.CO hep-ph
Testing Standard and Degenerate Big Bang Nucleosynthesis with BOOMERanG and MAXIMA-1
我们测试不同的大爆炸核合成的情况下，使用最近的结果宇宙微波背景各向异性提供的BOOMERanG和MAXIMA-1实验与所观察到的丰度的4 He，D和7 Li。基于贝叶斯方法的似然分析表明，在高氘丰度的情况下，Y_D=（2.0 \pm 0.5）10^{-4}，标准和简并BBN在3 σ以上与CMBR测量不一致。在低氘丰度的假设下，Y_D=（3.4 \pm 0.3）10^{-5}，标准BBN模型在2 σ水平上仍与现有观测结果不一致，而简并BBN模型则与现有观测结果一致。除非在核素丰度和/或CMBR数据分析中发现系统学效应，否则这一结果可能是一个有利于新物理学的信号，如遗留中微子-反中微子背景的大化学势。
2000-07-31 astro-ph gr-qc hep-ph
Signatures of a hidden cosmic microwave background
如果有一个隐藏的光子--即在隐藏的扇区中的轻阿贝尔规范玻色子--它与标准光子的动力学混合可以产生隐藏的宇宙微波背景（hCMB）。对于meV质量，共振光子隐藏光子振荡发生在核合成（BBN）之后，但在CMB去耦之前，增加了中微子的有效数量，但也增加了重子与光子的比例。目前BBN和CMB数据之间的协议提供了新的约束动力学混合。然而，如果包括莱曼α数据，则中微子的有效数量优选大于3。很容易用hCMB来解释这种效应。有趣的是，所需的参数将在不久的将来通过实验室实验进行测试。
2008-04-25 astro-ph hep-ph
