[論文レビュー] A new life for sterile neutrino dark matter after the pandemic

Torsten Bringmann, Paul Frederik Depta+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における自己相互作用が、ニュートリノの混合による初期生成後にステアッドニュートリノの豊度が指数関数的に増大するのを引き起こす、最小限のメカニズムを提案する。このモデルは、スカラー媒介子を伴う隔離されたダークセクターに基づくもので、keVスケールのステアッドニュートリノがダークマターである場合の新たな実現可能なパラメータ空間を開き、X線ライン検出の可能性を著しく高めるとともに、構造形成を制約する。

ABSTRACT

We propose a novel mechanism to generate sterile neutrinos $ u_s$ in the early Universe, by converting ordinary neutrinos $ u_\alpha$ in scattering processes $ u_s u_\alpha o u_s u_s$. After initial production by oscillations, this leads to an exponential growth in the $ u_s$ abundance. We show that such a production regime naturally occurs for self-interacting $ u_s$, and that this opens up significant new parameter space where $ u_s$ make up all of the observed dark matter. Our results provide strong motivation to further push the sensitivity of X-ray line searches, and to improve on constraints from structure formation.

研究の動機と目的

• ステアッドニュートリノとスカラー媒介子以外に追加の新しい粒子を必要としない、ステアッドニュートリノダークマター生成の最小限のメカニズムを提案すること。
• Dodelson-Widrowメカニズムがダークマターに十分なステアッドニュートリノ豊度を生成できないという限界を克服すること。
• 隔離されたダークセクターにおける自己相互作用が、初期生成後にステアッドニュートリノ数密度に指数的増大を引き起こすことを示すこと。
• 宇宙論的観測と整合的な、keVスケールのステアッドニュートリノがダークマターであるための新たな実現可能なパラメータ空間を同定すること。
• 将来のX線ライン探索の動機を強めるとともに、構造形成からの制約を強化すること。

提案手法

• ステアッドニュートリノ νs とアクティブニュートリノ να が混合角 θ を介してスカラー媒介子 φ に結合する、隔離されたダークセクターを提案する。
• マジョラナ質量を仮定し、混合角 θ ≪ 1 として、νs、να、φ を含む相互作用ラグランジアンをモデル化する。
• 伝達 (νsνα → νsνs) の熱平均断面積 ⟨σv⟩_tr と凍結イン (νsνs → φφ) の ⟨σv⟩_fi を分析し、⟨σv⟩_tr ∝ sin²θ および ⟨σv⟩_fi ∝ sin⁴θ であることを示す。
• ⟨σv⟩_tr ≫ ⟨σv⟩_fi である場合、νs豊度に指数的増大段階が訪れることが示される。
• 運動方程式を用いて、初期の混合による凍結インと、その後の νsνα → νsνs 散乱による指数的増大を含む、νs数密度の時間発展を追跡する。
• 重い (mφ > 2ms) および軽い (mφ < 2ms) 媒介子の極限を検討し、結果の定性的な頑健性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加の新しい粒子を必要とせず、自己相互作用に起因する指数的増大メカニズムによってステアッドニュートリノダークマターが生成可能か？
• RQ2 隔離されたダークセクターにおいて、伝達率 ⟨σv⟩_tr が凍結イン率 ⟨σv⟩_fi を上回る条件は何か？
• RQ3 ステアッドニュートリノ間の自己相互作用を組み込むと、keVスケールのステアッドニュートリノダークマターの実現可能なパラメータ空間にどのような影響を与えるか？
• RQ4 このメカニズムは、既存のX線ライン探索や構造形成からの制約をどの程度回避できるか？
• RQ5 このメカニズムは、全ダークマター豊度を説明しつつ、宇宙論的観測と整合的であるか？

主な発見

• このメカニズムにより、初期の混合による生成後にステアッドニュートリノ豊度が指数関数的に増大し、最終的な残り滓密度が著しく増大する。
• 質量と媒介子の性質に応じて、混合角 θ ∼ 10⁻⁷ から 10⁻⁶ の範囲で、keVスケールのステアッドニュートリノがモデルとして成立する。
• 伝達率 ⟨σv⟩_tr が凍結イン率 ⟨σv⟩_fi よりも著しく大きい場合に指数的増大段階が発生し、sin²θ ≫ sin⁴θ が成立する隔離されたダークセクターでは自然に満たされる。
• このモデルは、ステアッドニュートリノの崩壊から生じる検出可能なX線ラインを予測し、線エネルギー Eγ ≈ ms/2 となるため、近い将来のX線望遠鏡の主なターゲットとなる。
• 特に自己相互作用が小スケールパワーを抑制するため、構造形成の制約と整合的であり、Lyman-αフォレストおよびクラスターレンズデータとも両立可能である。
• このメカニズムによって開かれるパラメータ空間は、標準的な Dodelson-Widrow スキームよりも著しく広がっており、X線および天体物理学的制約の改善に強い動機付けを提供する。