Spectral distortions (SDs) of the cosmic microwave background (CMB) provide a powerful tool for studying particle physics. Here we compute the distortion signals from decaying particles that convert directly into photons at different epochs during cosmic history, focusing on injection energies $E_\mathrm{inj}\lesssim 20\, \mathrm{keV}$. We deliver a comprehensive library of SD solutions, using CosmoTherm to compute the SD signals, including effects on the ionization history and opacities of the Universe, and blackbody-induced stimulated decay. Then, we use data from COBE/FIRAS and EDGES to constrain the properties of the decaying particles. We explore scenarios where these provide a dark matter (DM) candidate or constitute only a small fraction of DM. We complement the SD constraints with CMB anisotropy constraints, highlighting new effects from injections at very-low photon energies ($h\nu \lesssim 10^{-4}\, {\rm eV}$). Our model-independent constraints exhibit rich structures in the lifetime-energy domain, covering injection energies Einj ≃ 10−10 eV − 10 keV and lifetimes $\tau _X\simeq 10^5-10^{33}\, \mathrm{s}$. We discuss the constraints on axions and axion-like particles, revising existing SD constraints in the literature. Our limits are competitive with other constraints for axion masses $m_a c^2\gtrsim 27\, {\rm eV}$ and we find that simple estimates based on the overall energetics are generally inaccurate. Future CMB spectrometers could significantly improve the obtained constraints, thus providing an important complementary probe of early-universe particle physics.

中文翻译：

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低质量衰变粒子对光子注入的光谱畸变约束

宇宙微波背景 (CMB) 的光谱畸变 (SD) 为研究粒子物理学提供了强大的工具。在这里，我们计算了在宇宙历史中不同时期直接转化为光子的衰变粒子的失真信号，重点关注注入能量 $E_\mathrm{inj}\lesssim 20\, \mathrm{keV}$。我们提供全面的 SD 解决方案库，使用 CosmoTherm 计算 SD 信号，包括对宇宙电离历史和不透明度的影响，以及黑体诱导的受激衰变。然后，我们使用来自 COBE/FIRAS 和 EDGES 的数据来约束衰变粒子的特性。我们探索了这些提供暗物质 (DM) 候选者或仅构成 DM 一小部分的场景。我们用 CMB 各向异性约束补充 SD 约束，突出以极低光子能量 ($h\nu \lesssim 10^{-4}\, {\rm eV}$) 注入的新效果。我们的模型无关约束在生命周期能量域中表现出丰富的结构，涵盖注入能量 Einj ≃ 10−10 eV − 10 keV 和生命周期 $\tau _X\simeq 10^5-10^{33}\, \mathrm{s }$。我们讨论了对轴子和类轴子粒子的约束，修改了文献中现有的 SD 约束。我们的限制与轴子质量 $m_a c^2\gtrsim 27\, {\rm eV}$ 的其他约束具有竞争力，我们发现基于整体能量学的简单估计通常是不准确的。未来的 CMB 光谱仪可以显着改善获得的约束，从而为早期宇宙粒子物理学提供重要的补充探针。我们的模型无关约束在生命周期能量域中表现出丰富的结构，涵盖注入能量 Einj ≃ 10−10 eV − 10 keV 和生命周期 $\tau _X\simeq 10^5-10^{33}\, \mathrm{s }$。我们讨论了对轴子和类轴子粒子的约束，修改了文献中现有的 SD 约束。我们的限制与轴子质量 $m_a c^2\gtrsim 27\, {\rm eV}$ 的其他约束具有竞争力，我们发现基于整体能量学的简单估计通常是不准确的。未来的 CMB 光谱仪可以显着改善获得的约束，从而为早期宇宙粒子物理学提供重要的补充探针。我们的模型无关约束在生命周期能量域中表现出丰富的结构，涵盖注入能量 Einj ≃ 10−10 eV − 10 keV 和生命周期 $\tau _X\simeq 10^5-10^{33}\, \mathrm{s }$。我们讨论了对轴子和类轴子粒子的约束，修改了文献中现有的 SD 约束。我们的限制与轴子质量 $m_a c^2\gtrsim 27\, {\rm eV}$ 的其他约束具有竞争力，我们发现基于整体能量学的简单估计通常是不准确的。未来的 CMB 光谱仪可以显着改善获得的约束，从而为早期宇宙粒子物理学提供重要的补充探针。我们讨论了对轴子和类轴子粒子的约束，修改了文献中现有的 SD 约束。我们的限制与轴子质量 $m_a c^2\gtrsim 27\, {\rm eV}$ 的其他约束具有竞争力，我们发现基于整体能量学的简单估计通常是不准确的。未来的 CMB 光谱仪可以显着改善获得的约束，从而为早期宇宙粒子物理学提供重要的补充探针。我们讨论了对轴子和类轴子粒子的约束，修改了文献中现有的 SD 约束。我们的限制与轴子质量 $m_a c^2\gtrsim 27\, {\rm eV}$ 的其他约束具有竞争力，我们发现基于整体能量学的简单估计通常是不准确的。未来的 CMB 光谱仪可以显着改善获得的约束，从而为早期宇宙粒子物理学提供重要的补充探针。