[論文レビュー] Constraining Asymmetric Bosonic Non-interacting Dark Matter with Neutron Stars

Yi-Zhong Fan, Ruizhi Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、更新されたホーキング蒸発およびボンドィ吸着率を組み込んだ中性子星観測を用いて、非相互作用対称でないボソン的ダークマターに対する制約を再評価する。その結果、3.3 GeVから約10 TeVの質量範囲でこのようなダークマターが妥当であることが判明し、DAMAおよびCoGeNTが好む5.7 GeVおよび5–15 GeVの範囲を含む。これは、従来の蒸発率の低めの見積もりによって生じた除外を解消するものである。

ABSTRACT

The Hawking evaporation of small black holes formed by the collapse of dark matter at the center of neutron stars plays a key role in loosing the constraint on the mass of asymmetric bosonic non-interacting dark matter particles. Different from previous works we show that such a kind of dark matter is viable in the mass range from 3.3 GeV to ~ 10 TeV, which covers the most attractive regions, including the preferred asymmetric dark matter mass ~ 5.7 GeV as well as the 5-15 GeV range favored by DAMA and CoGeNT.

研究の動機と目的

• 中性子星の安定性をプローブとして用いて、非相互作用対称でないボソン的ダークマターの妥当性を再検討すること。
• 従来の制約が、好まれる5.7 GeVおよび5–15 GeVの質量範囲を除外していたという不整合を解消すること。
• ダークマター誘発ブラックホール形成の文脈において、ホーキング蒸発およびボンドィ吸着率の推定値の正確性を向上させること。
• 長期間にわたり安定した中性子星が存在し続けることと整合する非崩壊的ボソン的ダークマターの質量窓を特定すること。

提案手法

• MacGibbon (1990) の更新されたホーキング蒸発率を用いて、従来のブラックホール質量損失の低めの見積もりを是正する。
• 中性子星内部のダークマター崩壊によって形成された小さなブラックホールへのボンドィ吸着率を再評価する。
• ~2.5×10⁷年より古い中性子星がブラックホールに崩壊してはならないという条件を適用し、質量制約を導出する。
• 中性子星の冷却モデルを用いて、ボーズ＝アインシュタイン凝縮およびブラックホール形成のための臨界温度閾値（T_s,crit）を導出する。
• 中性子星表面温度および年齢データ（例：J0108-1431）を統合し、ダークマター質量および断面積のパラメータ空間を制約する。
• 蒸発によってブラックホール形成が不安定化する臨界ダークマター質量 m_χ,c ≈ 3.3 GeV を求め、また吸着が支配的になる m_up ≈ 10 TeV を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星の安定性を前提とした場合、非相互作用対称でないボソン的ダークマター粒子の質量の下限は何か？
• RQ2 なぜ従来の制約が厳しすぎたのか？また、改善されたホーキング蒸発率および吸着率は、許容される質量窓をどのように変えるか？
• RQ3 DAMA/CoGeNTが好む5.7 GeVのダークマター質量および5–15 GeVの範囲は、中性子星観測と整合することができるか？
• RQ4 非崩壊的ボソン的ダークマターの質量の上限は何か？ それ以上になるとブラックホール形成および吸着によって中性子星が破壊される。
• RQ5 ボーズ＝アインシュタイン凝縮の存在は、崩壊ダイナミクスおよびそれによる制約にどのように影響するか？

主な発見

• 改善されたホーキング蒸発モデルのおかげで、非相互作用対称でないボソン的ダークマターの質量の下限が m_χ,c ≈ 3.3 GeV にまで低下した。
• 非対称ダークマターモデルで好まれる5.7 GeVのダークマター質量は、今や妥当であり、従来の除外が解消された。
• DAMAおよびCoGeNTが好む5–15 GeVの質量範囲は、もはや除外されず、許容範囲内に含まれるようになった。
• 吸着が支配的になる上限質量は m_χ < m_up ≈ 10 TeV（ρ_dm = 0.3 GeV/cm³のとき）に制限され、それ以上では中性子星が吸着によって破壊される。
• 極端な状況下でも m_up は m_χ,c よりもはるかに大きく保たれ、3.3 GeVから約10 TeVの堅固な許容窓が確認された。
• 今後の磁化された中性子星の観測、特に高密度ダークマター領域における観測は、1 MeV未塔から1 GeV未塔の範囲を探索可能となる可能性がある。