[論文レビュー] Cooking Pasta with Dark Matter: Kinetic and Annihilation Heating of Neutron Star Crusts

Javier F. Acevedo, Joseph Bramante+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、中性子星の外殻、特にその特異な原子核スパaghettイ相が、ダークマター散乱および消失によって中性子星を効率的に加熱できることを示している。これにより、100 MeVから1 PeVの質量のダークマターに対しては、10⁻⁴³ cm²まで低い断面積でも検出可能となり、1 MeV未塔のダークマターでは、中性子超流動体におけるフォノン励起によって10⁻³⁹ cm²まで低下する。消失はコアの相互作用がなくても効率的であり、電弱的に相互作用するダークマターを検出するうえで外殻が不可欠である。

ABSTRACT

Neutron stars serve as excellent next-generation thermal detectors of dark matter, heated by the scattering and annihilation of dark matter accelerated to relativistic speeds in their deep gravitational wells. However, the dynamics of neutron star cores are uncertain, making it difficult at present to unequivocally compute dark matter scattering in this region. On the other hand, the physics of an outer layer of the neutron star, the crust, is more robustly understood. We show that dark matter scattering solely with the low-density crust still kinetically heats neutron stars to infrared temperatures detectable by forthcoming telescopes. We find that for both spin-independent and spin-dependent scattering on nucleons, the crust-only cross section sensitivity is $10^{-43} - 10^{-41}$~cm$^2$ for dark matter masses of 100 MeV $-$ 1 PeV, with the best sensitivity arising from dark matter scattering with a crust constituent called nuclear pasta (including gnocchi, spaghetti, and lasagna phases). For dark matter masses from 10 eV to 1 MeV, the sensitivity is $10^{-39} - 10^{-34}$~cm$^2$, arising from exciting collective phonon modes in a neutron superfluid in the inner crust. Furthermore, for any $s$-wave or $p$-wave annihilating dark matter, we show that dark matter will efficiently annihilate by thermalizing just with the neutron star crust, regardless of whether the dark matter ever scatters with the neutron star core. This implies efficient annihilation in neutron stars for any electroweakly interacting dark matter with inelastic mass splittings of up to 200 MeV, including Higgsinos. We conclude that neutron star crusts play a key role in dark matter scattering and annihilation in neutron stars.

研究の動機と目的

• コアの物理に関する不確実性がある中でも、中性子星の外殻のみがダークマター散乱および消失からの検出可能な熱信号を提供できるかどうかを調査すること。
• 核子とのスピン非依存およびスピン依存相互作用に対する、外殻のみのダークマター散乱の感度を特定すること。
• 核スパaghettイ相（ジェノッチ、スパゲッティ、ラザニア）が、ダークマター散乱断面積をどのように強化するかを評価すること。
• 低質量ダークマター（10 eV–1 MeV）の検出における、内殻の中性子超流動体の集団的フォノンモードの寄与を調査すること。
• s波およびp波消失するダークマターが、コアの相互作用に依存せず外殻で効率的に熱化できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 既知の外殻状態方程式および核スパaghettイ相構造を用いて、低密度の中性子星外殻におけるダークマター散乱をモデル化する。
• スピン非依存およびスピン依存相互作用に注目し、ダークマター-核子散乱による運動量移動に起因する運動エネルギーの加熱率を計算する。
• 低質量ダークマターにおけるエネルギー移動の増強を考慮し、内殻の中性子超流動体における集団的フォノン励起モードを組み込む。
• 熱化およびエネルギー堆積モデルを用いて、s波およびp波の最終状態に対する外殻における消失率を計算する。
• 観測された中性子星表面温度からの制約を適用し、ダークマター-核子断面積に対する除外限界を導出する。
• 外殻構造、超流動性、消失断面積を統合することで、広いダークマス範囲（10 eV–1 PeV）における感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星外殻との散乱のみで、広い範囲のダークマス質量に対して検出可能な熱信号を生成できるか？
• RQ2 外殻に存在する核スパaghettイ相が、均一な原子核物質と比較して、ダークマター検出感度をどのように向上させるか？
• RQ3 中性子超流動体におけるフォノン励起が、1 MeV未塔のダークマター検出に果たす寄与は何か？
• RQ4 コアでの散乱がなければ、ダークマター消失が外殻でどの程度熱化できるか？
• RQ5 外殻におけるs波およびp波消失するダークマターの断面積感度は、それぞれどのようになるか？

主な発見

• 100 MeVから1 PeVのダークマスに対して、外殻のみの散乱断面積感度は10⁻⁴³–10⁻⁴¹ cm²に達する。これは主に核スパaghettイ相との散乱によるものである。
• 10 eVから1 MeVのダークマスに対しては、内殻の中性子超流動体におけるフォノン励起による効率的なエネルギー移動のおかげで、感度が10⁻³⁹–10⁻³⁴ cm²に向上する。
• s波およびp波消失するダークマターは、外殻で効率的に熱化可能であり、コアでの散乱がなければならなくても、検出可能な消失信号を発生させることができる。
• 電弱的に相互作用するダークマター、特にヒッグスチノンなど200 MeVまでの非弾性質量スプリットを持つものでさえ、外殻の消失によって効率的に検出可能である。
• 中性子星の外殻は、ダークマターの主要な熱的検出器として機能し、コアベースのモデルと同等またはそれ以上の感度を示す。
• 本結果は、今後の赤外望遠鏡の運用を踏まえた中で、中性子星の熱放射を用いたダークマター探索において、外殻が今後極めて重要な領域であることを確立する。