Cosmological constraints on extra radiation and early dark energy with lepton asymmetry and varying quark masses
本文通过将原初轻子不对称性和变化的夸克质量纳入对宇宙微波背景（CMB）、重子声学振荡（BAO）、超新星以及原初丰度数据的综合分析，研究了额外辐射和早期暗能量对宇宙学的限制，揭示了轻子不对称性可以使氦测量值与较高的哈勃常数在额外辐射模型中相协调，而变化的夸克质量则是放宽基于氘的早期暗能量限制所必需的。
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宇宙正在膨胀，几十年来，天文学家一直能够测量这种膨胀发生的速率。然而，在两种测量这种速度的方法之间，出现了一个顽固的分歧。一种方法观察的是宇宙中最古老的光——宇宙微波背景，这是宇宙诞生瞬间留下的微弱余晖。另一种方法则通过观察附近的恒星和星系来直接测量膨胀。当科学家使用标准宇宙学模型来解释这道古老的光时，得到的膨胀速度比局部测得的速度要慢。这种被称为“哈勃张力”（Hubble tension）的不匹配表明，我们目前对宇宙历史的理解可能遗漏了某个关键环节。为了解决这个问题，研究人员提出，在极早期宇宙中可能存在某种额外的物质，或许是一种隐藏的辐射形式，或者是某种在第一批原子形成之前加速了膨胀的能量爆发。
高知科技大学的藤田曜（Yo Toda）开展的一项新研究调查了这些提议的添加物是否真的能在不破坏宇宙首批元素形成规则的前提下，修复这种速度差异。早期宇宙是一个炽热、致密的“汤”，质子和中子在此融合形成氢、氦和氘的第一批原子核，这一过程被称为大爆炸核合成。这一过程对当时的环境极其敏感。如果宇宙膨胀得太快，或者存在过多的粒子类型，所产生的氦和氘的量就会发生变化。近期对这些古老元素进行的极高精度测量现在与标准模型完美契合，这使得任何新理论都很难在不被察觉的情况下“潜入”。藤田的工作提出了一个具体的问题：我们能否引入额外的辐射或早期能量，并可能调整其他隐藏变量（如粒子平衡或微小构建块的质量），从而在提高膨胀速度的同时，仍然符合观测到的古老元素含量？
研究人员结合了普朗克卫星（绘制了宇宙微波背景图）的最新数据，以及来自DESI调查的星系分布新测量结果和对遥远超新星的观测。至关重要的是，该研究纳入了近期对原始氦和氘最精确的测量数据。团队测试了几种情景。在其中一种情景中，他们允许存在额外的辐射以及一种特定形式的物质与反物质之间的不平衡（即中微子轻子不对称性）。在另一种情景中，他们研究了一种早期暗能量形式，这是一种在宇宙增长过程中短暂加速的临时能量场。他们还测试了在形成第一批元素期间，最轻夸克的质量是否可能略有不同。
结果显示，这些不同的想法在如何站得住脚方面呈现出明显的分野。当团队观察额外辐射模型时，他们发现它确实可以帮助解决张力，但前提是必须允许存在那种特定的粒子不平衡。如果没有这种不平衡，额外的辐射会产生过多的氦，从而与新的精确测量结果相矛盾。然而，在纳入这种不平衡后，额外的辐射量可以更高，推导出的宇宙膨胀速度上升到了每秒69.24公里/百万秒差距。这个数值比标准模型的预测更接近局部测量值，将两种方法之间的统计差异从近六个标准差降低到了仅略高于三个标准差。这表明，一个拥有稍多辐射且中微子平衡略有倾斜的宇宙，是一个可行的路径，前提是氦的测量结果保持不变。
对于早期暗能量模型，情况则有所不同。该理论提出了一种在扩张过程中加速宇宙的临时能量场，但它往往倾向于在早期宇宙中具有更高的普通物质密度。更高的物质密度反过来会导致较少的氘产生。而关于氘含量的最新精确测量是非常严格的。研究发现，加入轻子不对称性并不能帮助早期暗能量模型；这种不平衡影响了氦，但并未解决氘的问题。然而，另一种调整却奏效了。当研究人员允许轻夸克的质量在形成第一批元素期间发生轻微变化时，该模型便可以容纳更大比例的早期暗能量。轻夸克质量的小幅增加会提升氘的产量，从而补偿由高物质密度导致的减少。这一调整使得早期暗能量模型能够达到稍高的膨胀速度，尽管它在解决张力方面不如带有轻子不对称性的额外辐射模型那样有效。
研究还检查了中微子的总质量，即那些穿梭于宇宙中的幽灵粒子。通过允许轻子不对称性发生变化，研究人员发现，中微子总质量的上限可以被稍微放宽，从一个非常紧凑的约束变为一个略微灵活的约束。这意味着，如果宇宙确实包含额外的辐射，它或许能够支持比此前认为的稍高的中微子质量，而不会与数据相抵触。
最终，论文得出结论，解决哈勃张力的路径在很大程度上取决于引入了哪些具体的物理变化。当与特定的粒子不平衡相结合时，额外辐射模型成为了提高膨胀速度且能与早期宇宙精确化学指纹保持一致的最具前景的候选方案。早期暗能量模型也可以得到改进，但前提是基本粒子的质量在过去曾略有不同。这些发现并非宣布谜团已解，而是为可能的解决方案提供了一张更清晰的地图。它们表明，宇宙的历史可能比标准模型所暗示的更加复杂，而解锁膨胀速度的关键，或许就隐藏在大爆炸后最初几分钟内微妙的化学变化之中。
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