[論文レビュー] Constraints on dark matter-neutrino scattering from the Milky-Way satellites and subhalo modeling for dark acoustic oscillations

Kensuke Akita, Shin’ichiro Ando|arXiv (Cornell University)|May 3, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 118被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、銀河の衛星天体の観測と、潮汐進化を組み込んだ拡張プレス＝シェューテル形式に基づく半解析的準小銀河モデルを用いて、暗黒物質－ニュートリノ散乱を制限する。本研究は、現在最もきつい境界を達成しており、定常散乱断面積に対する95%信頼区間の上限は、$σ_{曝黑物赤・ニートリンオ,0} < 4 \times 10^{-34} \text{cm}^2\ (m_{曝黑物赤}/\text{GeV})$ であり、エネルギー依存性を持つ形式ではさらに強い制限が得られ、ニュートリノとの相互作用を伴う可能性のある暗黒物質モデルの候補を顕著に制限する。

ABSTRACT

The elastic scattering between dark matter (DM) and radiation can potentially explain small-scale observations that the cold dark matter faces as a challenge, as damping density fluctuations via dark acoustic oscillations in the early universe erases small-scale structure. We study a semi-analytical subhalo model for interacting dark matter with radiation, based on the extended Press-Schechter formalism and subhalos' tidal evolution prescription. We also test the elastic scattering between DM and neutrinos using observations of Milky-Way satellites from the Dark Energy Survey and PanSTARRS1. We conservatively impose strong constraints on the DM-neutrino scattering cross section of $σ_{{ m DM} ext{-}ν,n}\propto E_ν^n$ $(n=0,2,4)$ at $95\%$ confidence level (CL), $σ_{{ m DM} ext{-}ν,0}&lt; 10^{-32}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})$, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,2}&lt; 10^{-43}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^2$ and $σ_{{ m DM} ext{-}ν,4}&lt; 10^{-54}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^4$, where $E_ν$ is the neutrino energy and $E_ν^0$ is the average momentum of relic cosmic neutrinos today, $E_ν^0 \simeq 6.1\ { m K}$. By imposing a satellite forming condition, we obtain the strongest upper bounds on the DM-neutrino cross section at $95\%$ CL, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,0}&lt; 4 imes 10^{-34}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})$, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,2}&lt; 10^{-46}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^2$ and $σ_{{ m DM} ext{-}ν,4}&lt; 7 imes 10^{-59}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^4$.

研究の動機と目的

• 冷たい暗黒物質モデルの小スケール課題（例えば、欠落している衛星問題やコア・カスプ問題）を、放射と相互作用する暗黒物質を探索することで解決すること。
• 初期宇宙における暗黒音響振動を通じて小スケール構造を抑制するメカニズムとして、暗黒物質－ニュートリノ散乱の妥当性を検証すること。
• DESおよびPanSTARRS1の最新の銀河衛星データを用いて、DM-ニュートリノ散乱断面積の観測的制限を導出すること。
• 相互作用する暗黒物質の状況に適合した、潮汐剥ぎ取りと修正された臨界過密度を組み込んだ半解析的準小銀河モデルを構築・適用すること。
• 理論的準小銀河予測と観測された衛星数を比較し、断面積の保守的上限を設定すること。

提案手法

• 暗黒物質－放射（特にDM-ニュートリノ散乱）の影響を反映させるために、ウィンドウ関数と臨界過密度を修正した拡張プレス＝シェューテル形式を適用する。
• ハストハロー内での質量損失と構造的進化を半解析的に記述することで、準小銀河への潮汐剥ぎ取り効果を組み込む。
• SASHIMIコードの修正版を用いて、最大円運動速度および準拡散質量に関する準小銀河累積数を計算する。
• DESおよびPanSTARRS1の観測データを用い、270個の銀河衛星天体の観測完全性補正済みデータを用いて、準小銀河の存在頻度を制限する。
• 最も保守的な断面積上限を導出するため、衛星形成条件を課す。
• エネルギー依存性を持つ断面積（$E_\nu^n$、$n=0,2,4$）を検討し、平均残りニュートリノエネルギー $E_\nu^0 \simeq 6.1\ \text{K}$ に対して正規化する。

Figure 1: The linear matter power spectra for CDM, the DM-neutrino interaction scenario with $u_{\rm DM-\nu,0}^{0}=10^{-7}$ , $u_{\rm DM-\nu,2}^{0}=10^{-20}$ and $u_{\rm DM-\nu,4}^{0}=10^{-33}$ , which are defined in eqs. ( 5 ) and ( 6 ).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗黒物質とニュートリノの弾性散乱断面積に対する最も強い観測的制限は何か？
• RQ2 暗黒物質－ニュートリノ散乱は、初期宇宙における暗黒音響振動を通じて、どのように小スケール構造を抑制するか？
• RQ3 観測された銀河衛星数のカウントは、相互作用する暗黒物質モデルのパrameter空間をどの程度制限するか？
• RQ4 スムーズkフィルタの異なるパrameter化は、モデルにおける準小銀河存在頻度予測にどのように影響するか？
• RQ5 得られた制限は、他の天体的ニュートリノ源や先行研究の結果と比較して、どのように異なるか？

主な発見

• 本研究は、現在最もきつい95%信頼区間の上限をDM-ニュートリノ散乱断面積に設定し、定常断面積に対して $σ_{曝黑物赤・ニートリンオ,0} < 4 \times 10^{-34} \text{cm}^2\ (m_{曝黑物赤}/\text{GeV})$ が得られた。
• エネルギー依存性を持つ断面積では、$σ_{曝黑物赤・ニートリンオ,2} < 10^{-46} \text{cm}^2\ (m_{曝黑物赤}/\text{GeV})(E_\nu/E_\nu^0)^2$ および $σ_{曝黑物赤・ニートリンオ,4} < 7 \times 10^{-59} \text{cm}^2\ (m_{曝黑物赤}/\text{GeV})(E_\nu/E_\nu^0)^4$ が得られた。
• 本モデルの準小銀河存在頻度予測は、スムーズkフィルタのパrameterに依存せず安定しており、さまざまな暗黒物質－放射相互作用状況に広く適用可能であることが示された。
• 衛星形成条件を組み込むことで、標準的な完全性に基づく手法よりも著しく強い制限が得られ、感度が最大で2桁向上した。
• $m_{曝黑物赤} \gtrsim \text{MeV}$ の場合、$\delta_{c,\text{IDM}} \simeq \delta_{c,\text{CDM}}$ であるという仮定は妥当であり、計算を単純化しても最終的な境界に影響を及ぼさない。
• 得られた制限は、他の天体的ニュートリノ源からのものと比較して同等または強く、銀河衛星データが暗黒物質相互作用を探査する上で極めて強力であることを示している。

Figure 2: Cumulative number of subhalos as a function of the maximum circular velocity with the host halo mass of $M_{200}=1.6\times 10^{12}M_{\odot}$ for DM-DR interaction scenarios (ETHOS1-ETHOS3 models described in ref. [ 70 ] ). Solid lines denote our results and dashed lines denote the results