[論文レビュー] Constraining bosonic asymmetric dark matter with neutron star mass-radius measurements

Nathan Rutherford, G. Raaijmakers+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、X線望遠鏡による質量-半径測定を用いて、ベイズ推論を用いて中性子星内のボソン的非対称ダークマター（ADM）を制約する。現在のバリオン方程式状態の不確実性により、ADMの制約は明確でないが、観測された$1\,\mathrm{M}_{\odot}$以上の最小中性子星質量の要請により、高質量のADM粒子および低自己相互作用強度は不適切であるとされる。一方、ADM質量分率は測定可能である。

ABSTRACT

Neutron stars can accumulate asymmetric dark matter (ADM) in their interiors, which affects the neutron star's measurable properties and makes compact objects prime targets to search for ADM. In this work, we use Bayesian inference to explore potential neutron star mass-radius measurements, from current and future x-ray telescopes, to constrain the bosonic ADM parameters for the case where bosonic ADM has accumulated in the neutron star interior. We find that the current uncertainties in the baryonic equation of state do not allow for constraints on the ADM parameter space to be made. However, we also find that ADM cannot be excluded and the inclusion of bosonic ADM in neutron star cores relaxes the constraints on the baryonic equation of state space. If the baryonic equation of state were more tightly constrained independent of ADM, we find that statements about the ADM parameter space could be made. In particular, we find that the high bosonic ADM particle mass ($m_χ$) and low effective self-interaction strength ($g_χ/m_ϕ)$ regime is disfavored due to the observationally and theoretically motivated constraint that neutron stars must have at least a mass of $1 \, \mathrm{M_\odot}$. However, within the remaining parameter space, $m_χ$ and $g_χ/m_ϕ$ are individually unconstrained. On the other hand, the ADM mass-fraction, i.e., the fraction of ADM mass inside the neutron star, can be constrained by such neutron star measurements.

研究の動機と目的

• 現在および将来のX線望遠鏡による質量-半径測定が、中性子星内のボソン的非対称ダークマター（ADM）をどの程度制約できるかを調査すること。
• ADMが中性子星構造に与える影響、特に質量および半径の変化を通じてその影響を評価すること。
• ADMパラメータ—粒子質量$m_\chi$、自己相互作用強度$g_\chi/m_\phi$、および質量分率—が中性子星観測によってどの程度制約可能かを特定すること。
• ADMがバリオン方程式状態（EoS）に与える影響を検討し、ADMの導入がEoSの制約を緩和するかどうかを調査すること。

提案手法

• 現在および将来のX線望遠鏡による潜在的な質量-半径測定を分析するため、ベイズ推論を用いる。
• ボソン的ADMを自己相互作用項とベクトル場への結合を持つスカラー場としてモデル化し、平均場近似を仮定する。
• ストレステンソル形式を用いてADMの状態方程式を導出し、エネルギー密度$\epsilon_\chi = m_\chi c^2 n_\chi + \frac{1}{2} \frac{g_\chi^2}{m_\phi^2} \frac{\hbar^3}{c} n_\chi^2$および圧力$p_\chi = \frac{1}{2} \frac{g_\chi^2}{m_\phi^2} \frac{\hbar^3}{c} n_\chi^2$を得る。
• 平坦時空と球対称かつ定常なスカラー場解を仮定し、$\chi(r,t) = (A e^{ikr} + B e^{-ikr}) e^{-i\omega t}$とし、基底状態では$k=0$とする。
• 場の方程式から、スカラー場とADMの数密度の関係$\phi_0 = \frac{g_\chi}{m_\phi^2} n_\chi$を導出する。
• ADMコアを有する中性子星モデルとないモデルを比較し、質量および半径のパcent変化を計算する。基準として$2.3\,\mathrm{M}_\odot$のバリオン的星を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および将来のX線質量-半径測定は、中性子星内のボソン的非対称ダークマターのパラメータ空間を制約できるか？
• RQ2 ADMの存在が中性子星の質量および半径に与える影響は何か？ その変化は検出可能か？
• RQ3 特に$m_\chi$および$g_\chi/m_\phi$の領域において、中性子星が少なくとも$1\,\mathrm{M}_\odot$の質量を持つという要請により、どの領域が不適切とされるか？
• RQ4 ADMの導入により、バリオン方程式状態の制約はどの程度緩和されるか？
• RQ5 質量-半径測定によって、中性子星内部のADM質量分率は制約可能か？

主な発見

• 現在のバリオン方程式状態の不確実性のため、ボソン的ADMパラメータ空間に対する意味のある制約は得られない。
• 中性子星が少なくとも$1\,\mathrm{M}_\odot$の質量を持つという要請により、高質量の$m_\chi$および低$g_\chi/m_\phi$の領域は不適切であるとされる。
• 残りのパラメータ空間内では、$m_\chi$および$g_\chi/m_\phi$は現在のデータでは個別に制約されない。
• 中性子星コアにボソン的ADMを含めることで、バリオン方程式状態の制約が緩和される。
• ADM質量分率—すなわち中性子星内部のADM質量の割合—は、将来的な質量-半径測定によって制約可能である。
• $2.3\,\mathrm{M}_\odot$のバリオン的中性子星に$7\%$のADM質量分率がある場合、ADMコアの影響により半径は$6\%$減少し、重力的質量は$9\%$減少する。