[論文レビュー] Cosmological simulations with rare and frequent dark matter self-interactions

Moritz S. Fischer, M. Brüggen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 127被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、頻繁な暗黒物質自己散乱（fSIDM）の最初の宇宙論的N体シミュレーションを、標準的なまれな自己散乱モデル（rSIDM）と比較して行う。大規模構造において類似した振る舞いを示すものの、fSIDMでは衛星の数が顕著に抑制されることが判明し、これはハロー密度または形状プロファイルと組み合わせることで、観測的判別子として有効である。また、頻繁な散乱に対する断面積の最初の上限値も得られた。

ABSTRACT

Dark matter (DM) with self-interactions is a promising solution for the small-scale problems of the standard cosmological model. Here we perform the first cosmological simulation of frequent DM self-interactions, corresponding to small-angle DM scatterings. The focus of our analysis lies in finding and understanding differences to the traditionally assumed rare DM (large-angle) self scatterings. For this purpose, we compute the distribution of DM densities, the matter power spectrum, the two-point correlation function and the halo and subhalo mass functions. Furthermore, we investigate the density profiles of the DM haloes and their shapes. We find that overall large-angle and small-angle scatterings behave fairly similarly with a few exceptions. In particular, the number of satellites is considerably suppressed for frequent compared to rare self-interactions with the same cross-section. Overall we observe that while differences between the two cases may be difficult to establish using a single measure, the degeneracy may be broken through a combination of multiple ones. For instance, the combination of satellite counts with halo density or shape profiles could allow discriminating between rare and frequent self-interactions. As a by-product of our analysis, we provide - for the first time - upper limits on the cross-section for frequent self-interactions.

研究の動機と目的

• 頻繁な（小角度）およびまれな（大角度）暗黒物質自己散乱の宇宙論的文脈における現象的差を調査する。
• 理論的に動機づけられているが、これまで全宇宙論的シミュレーションで検証されていなかった頻繁な自己散乱に対する制約の欠如に対処する。
• fSIDMとrSIDMモデルを区別できる観測的シグナルを同定する。
• 頻繁な自己散乱の運動量移動断面積に対する最初の上限値を提供する。

提案手法

• fSIDMとrSIDMをモデル化するために、フルボックスおよびズームイン技術を用いたDMのみの宇宙論的N体シミュレーションを実施した。
• 高頻度・小角度散乱を連続的な運動量拡散として扱う新しい数値スキームを導入し、高頻度で小角度の散乱イベントをシミュレート可能とした。
• 物質パワースペクトル、2点相関関数、ハローおよび準ハロー質量関数、密度/形状プロファイルといった複数の診断指標を用いて、fSIDMとrSIDMを標準的なCDMと比較した。
• エネルギーおよび運動量の移動が1回の散乱ごとに等しくなるように、運動量移動断面積を一貫した比較指標として用いた。
• 主軸分析を用いてハロー形状を解析し、球対称平均化を用いて密度プロファイルを解析した。
• シミュレーションで観測可能なずれが認められなかったことから、頻繁な自己散乱の断面積に対する上限値を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頻繁な自己散乱（fSIDM）は、rSIDMおよびCDMと比較して、物質パワースペクトルおよび大規模構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 同じ運動量移動断面積を有するfSIDMとrSIDMの間で、ハローおよび準ハロー質量関数にどのような差が生じるか？
• RQ3 fSIDMとrSIDMの間で、暗黒物質ハローの密度プロファイルおよび形状プロファイルにどのような差が生じるか？
• RQ4 衛星の数は、他の観測量と組み合わせることで、fSIDMとrSIDMを区別するのに利用可能か？
• RQ5 宇宙論的設定下での頻繁な自己散乱の断面積に対する最初の上限値は何か？

主な発見

• 大スケールでは、fSIDMとrSIDMはCDMと区別できないが、自己散乱効果により小スケールで顕著にずれる。
• 物質パワースペクトル、密度確率密度関数（PDF）、2点相関関数に顕在する小スケール構造の抑制は、同じ運動量移動断面積を有するfSIDMとrSIDMの間で非常に類似している。
• 同じ断面積を有するにもかかわらず、fSIDMでは準ハロー（衛星）の数がrSIDMに比べて顕著に抑制される。これは、観測的判別子として重要な要因である。
• ハロー密度および形状プロファイルは、バリオン効果が最小限である外縁部で自己散乱の物理により敏感であり、DMモデルの制約に有望である。
• 衛星数とハロー形状または密度プロファイルの測定を組み合わせることで、fSIDMとrSIDMのデゲネラシーを解消でき、モデル判別に多観測量戦略を提供する。
• 本研究では、頻繁な自己散乱の運動量移動断面積に対する最初の上限値を提供し、今後の観測的制約の基準を確立した。