[論文レビュー] A new constraint on millicharged dark matter from galaxy clusters

Kenji Kadota, Toyokazu Sekiguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、銀河団におけるランダムに配向した磁場の効果を分析することにより、ミリチャージドダークマター（MDM）に対する新たな制約を提示する。著者らは、電荷が $\epsilon e$ のMDMがサイクロトロン運動とランダムウォーク的拡散を経験し、これが期待されるコールドダークマター密度プロファイルを歪めることを示している。観測された銀河団質量分布と整合性を保つための条件から、$\epsilon \lesssim 10^{-14}(m/\text{GeV})$ という制約が得られ、これは従来の制約よりも顕著に厳密である。

ABSTRACT

We propose a new constraint on millicharged dark matter from considerations on galaxy clusters. The charged dark matter moves under the influence of the randomly oriented magnetic fields in galaxy clusters, and the corresponding dark matter density profile can significantly differ from the concordance CDM predictions which are well supported from the galaxy cluster observations. With a typical amplitude of magnetic fields $B=\mathcal O(1)\,μ$G and dark matter velocity $v=\mathcal O(100)\,$km/sec at a cluster radius $R\simeq 1\,$Mpc, we claim that the charge $εe$ ($e$ is the elementary charge) of dark matter with mass $m$ should be bounded as $ε\lesssim 10^{-14}(m/{ m GeV})$ which is substantially tighter than the other previous constraints.

研究の動機と目的

• 銀河団における磁場が $\mathcal{O}(1)\mu\text{G}$ の強さでランダムに配向していることを利用し、ミリチャージドダークマター（MDM）の新たな制約を導出すること。
• 銀河団スケールの磁場が及ぼすローレンツ力が、特に標準的なNFWプロファイルと比較してダークマター密度プロファイルに与える影響を調査すること。
• 直接検出、ビッグバン核合成（BBN）、宇宙マイクロ波背景（CMB）からの既存の制約を上回る、銀河団環境におけるMDMの運動を考慮することで、それらを改善すること。
• 他の制約（例：LUXやBBNによるもの）が適用されない領域において、磁場効果によってMDMが除外されるパラメータ領域を特定すること。

提案手法

• 銀河団内のランダムに配向した磁場の影響を受けるMDMの運動を、ランダムウォークとしてモデル化する。ガリレオ半径 $R_g \sim 10^{-9} \left(\frac{m}{1\,\text{GeV}}\right) \epsilon^{-1} \left(\frac{v}{300\,\text{km/s}}\right) \left(\frac{B}{1\,\mu\text{G}}\right)^{-1} \text{pc}$ を用いる。
• 観測された銀河団スケールのダークマター分布を維持するため、磁場由来のローレンツ力が重力的力を超えないように制約を課す。
• 磁場に起因する拡散が重力ポテンシャル井戸をぼやけさせないという条件から、$\epsilon$ に対する制約を導出する。
• 得られた制約を、赤巨星・白色矮星の冷却、BBN、CMB、および直接検出（例：LUX）からの既存の制約と比較する。特に、天体的遮蔽や運動的抑制によりそれらの制約が適用されない領域において有効であるかを検証する。
• 磁場のコhereneyがガリレオ半径よりも短いと仮定し、場の構造にかかわらずMDMの軌道が迅速にランダム化されることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河団におけるランダムに配向した磁場は、ミリチャージドダークマターの空間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 観測された銀河団スケールのダークマター密度プロファイルと整合性を保つために、ミリチャージ $\epsilon$ に導ける上限は何か？
• RQ3 銀河磁場および超新星噴出の影響により、LUX実験の直接検出制約が適用されないパラメータ領域はどこか？ そして、これは全体の制約の地図にどのように影響を与えるか？
• RQ4 銀河団スケールの磁場は、既存の宇宙論的および実験的制約を上回る、MDMに対するより厳しい制約を提供できるか？

主な発見

• 本稿では、ダークマターのミリチャージに対する新たな上限が導出された：$\epsilon \lesssim 10^{-14}(m/\text{GeV})$。これは従来の制約よりも顕著に厳密である。
• この制約は、磁場に起因するランダムウォーク的運動が、銀河団における観測されたNFWに類似したダークマター密度プロファイルを破壊しないという条件から生じている。
• 磁場のコhereneyに依存しないという点で、制約は強固である。方向がランダムに配向している限り、MDMの軌道は迅速にランダム化され、その結果として制約は安定する。
• この制約は、特に $m \lesssim 100\,\text{GeV}$ の領域において、直接検出実験が以前に想定した妥当なパラメータ領域の大部分を除外する。
• $m \lesssim 10\,\text{GeV}$ の領域では、赤巨星・白色矮星の冷却からの制約よりも強く、銀河円盤からの遮蔽がある領域（斜線領域）ではLUXの制約を上回る。
• 解析により、$\epsilon$ が大きいMDMはBBNによる制約に加え、銀河団内での磁場拡散と重力ポテンシャル整合性の両方の効果によっても除外されることが示された。