[論文レビュー] Cosmic particle colliders: simulations of self-interacting dark matter with angularly-dependent scattering

Andrew Robertson, R. Massey+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、孤立したハローと衝突する銀河団における非等方的散乱を伴う自己相互作用的暗黒物質（SIDM）を調査する。非等方的散乱モデルは、修正された運動量移動断面積を用いることで孤立ハローの進化を再現可能であるが、それらは衝突系におけるDM-銀河のずれを過小評価する。特に、速度に依存する非等方的モデルでは、以前に認識されていなかった力学的効果によりさらに抑制され、銀河団の制約が弱まる。

ABSTRACT

We investigate how self-interacting dark matter (SIDM) with anisotropic scattering affects the evolution of isolated dark matter haloes as well as systems with two colliding haloes. For isolated haloes, we find that the evolution can be adequately captured by treating the scattering as isotropic, as long as the isotropic cross-section is appropriately matched to the underlying anisotropic model. We find that this matching should not be done using the momentum transfer cross-section, as has been done previously. Matching should instead be performed via a modified momentum transfer cross-section that takes into account that dark matter particles can be relabelled after they scatter, without altering the dynamics. However, using cross-sections that are matched to give the same behaviour in isolated haloes, we find that treating dark matter scattering as isotropic under-predicts the effects of anisotropic dark matter scattering when haloes collide. In particular, the DM-galaxy offset induced by SIDM in colliding galaxy clusters is larger when we simulate the underlying particle model, than if we use a matched isotropic model. On the other hand, well motivated particle models with anisotropic scattering typically have cross-sections with a strong velocity dependence, and we discover a previously unrecognised effect that suppresses DM-galaxy offsets in colliding clusters making it hard for these systems to provide competitive constraints on such particle models.

研究の動機と目的

• 非等方的暗黒物質散乱が孤立した暗黒物質ハローおよび衝突する銀河団に与える影響を理解すること。
• 非等方的散乱モデルが、孤立系および衝突系の両方において、等方的散乱モデルで正確に再現可能かどうかを評価すること。
• 孤立ハローにおいて非等方的モデルと等方的モデルを一致させる正しい断面積マッチング手法を同定すること。
• 非等方的散乱が衝突銀河団におけるDM-銀河のずれに与える影響および観測的制約への意味を評価すること。
• 速度に依存する非等方的SIDMモデルに、以前に認識されていなかった抑制効果が存在するかを特定すること。

提案手法

• 非等方的および等方的散乱断面積を用いて孤立した暗黒物質ハローをシミュレートし、構造的進化を比較する。
• 標準的な運動量移動ではなく、動的変化を伴わない粒子の再ラベル化を考慮した修正された運動量移動断面積を用いて、等方的断面積を非等方的モデルにマッチングする。
• 2つの衝突するハローの流体力学的シミュレーションを実施し、非等方的および等方的散乱下でのDM-銀河のずれを調査する。
• 粒子ベースのシミュレーションを用いて、速度に依存する断面積を含む非等方的散乱プロセスをモデル化する。
• 衝突銀河団におけるDM-銀河のずれを解析し、マッチングされた等方的モデルの予測と比較する。
• 速度に依存する非等方的モデルに、衝突銀河団における観測可能なずれを減少させる抑制機構が存在することを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非等方的散乱モデルにマッチングされた等方的散乱モデルは、孤立した暗黒物質ハローの進化を正確に再現できるか？
• RQ2 非等方的散乱を等方的とみなすと、衝突銀河団におけるDM-銀河のずれが過小評価されるか？
• RQ3 孤立系において、等方的断面積を非等方的モデルにマッチングする正しい手法は何か？
• RQ4 非等方的散乱における速度依存性が、銀河団衝突におけるDM-銀河のずれの観測可能性に与える影響は何か？
• RQ5 非等方的SIDMモデルに、以前に認識されていなかった抑制効果が存在し、その結果、銀河団衝突観測に対する感度が低下するか？

主な発見

• 等方的散乱モデルは、粒子の再ラベル化を考慮した修正された運動量移動断面積を用いる場合にのみ、孤立ハローの進化を正確に再現可能である。標準的な運動量移動断面積では再現できない。
• 孤立ハローの力学的進化にマッチングされた等方的モデルは、真の非等方的散乱モデルと比較して、衝突銀河団におけるDM-銀河のずれを系統的に過小評価する。
• 強い速度依存性を示す非等方的散乱は、衝突銀河団におけるDM-銀河のずれを、以前に認識されていなかった形で抑制する。その結果、観測的制約への感度が低下する。
• この抑制効果は、非等方的散乱と速度に依存する断面積の相互作用に起因し、銀河団衝突におけるDM-銀河分離の程度を制限する。
• 非等方的散乱を持つwell-motivatedな粒子モデルは、従来の予想よりも、銀河団衝突観測からのSIDM制約に対して競争力が低い。
• 結果として、銀河団衝突からの非等方的SIDMの観測的制約は、等方的近似を用いて推定された値よりも著しく弱い可能性がある。