[論文レビュー] Detectability of Small-Scale Dark Matter Clumps with Pulsar Timing Arrays

Kazumi Kashiyama, Masamune Oguri|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、パulsar timing arrays (PTA) を用いて、銀河系内の小スケールダークマター (DM) チャンクの検出を提案している。これは、地球やパルサーの近くを通過するチャンクによるインパルス的加速を利用する。PTAが約100個のパルサーを有し、約10 nsのタイミングノイズを持つ場合、数十年にわたり、質量が約10⁻¹¹から10⁻⁸ M☉のDMチャンクを検出可能であり、CDMパラダイムの独自のプローブおよびDM粒子物理学への制約を提供する。

ABSTRACT

We examine the capability of pulsar timing arrays (PTAs) to detect very small-scale clumps of dark matter (DM), which are a natural outcome of the standard cold dark matter (CDM) paradigm. A clump streaming near the Earth or a pulsar induces an impulsive acceleration to encode residuals on pulsar timing data. We show that, assuming the standard abundance of DM clumps predicted by the CDM model, small-scale DM clumps with masses from $\sim 10^{-11} M_\odot$ to $\sim 10^{-8} \ M_\odot$ can be detectable by a PTA observation for a few decades with ${\cal O}(100)$ of pulsars with a timing noise of ${\cal O}(10)$ ns located at $\gtrsim 3$ kpc away from the Galactic center, as long as these mass scales are larger than the cutoff scale of the halo mass function that is determined by the particle nature of DM. Our result suggests that PTAs can provide a unique opportunity for testing one of the most fundamental predictions of the CDM paradigm. In addition, the detections and non-detections can constrain the cutoff mass scale inherent to the DM model.

研究の動機と目的

• パルサータイミングアレイ（PTA）を用いて、銀河リングホールの小スケールダークマター（DM）チャンクの検出可能性を評価すること。
• 現在または近い将来のPTA能力で、標準的なコールドダークマター（CDM）モデルが予測する多数の低質量DMチャンクが観測的にテスト可能かどうかを評価すること。
• 現実的なパルサー分布とタイミングノイズレベルを考慮して、PTAにおける測定可能なタイミング残差を生じるDMチャンクの質量範囲を特定すること。
• DMチャンクの飛行と他の一時的信号（例：重力波、PBH、スカラーフィールド）の区別が、信号の形態的特徴（ダイポール対、四重極、モノポールなど）によってどのように可能かを検討すること。

提案手法

• 大スケール観測から外挿されたパwer法則初期スペクトルを用いて、標準CDMフレームワークに基づく小スケールDMチャンクの質量関数をモデル化する。
• ニュートン力学と相対論的運動論を用いて、有限なインパクトパラメータで通過するDMチャンクが地球またはパルサーに及ぼすインパルス的加速を推定する。
• 一時的加速の積分から生じるパルサー信号のタイミング残差を計算する。
• 100個程度のパルサーが銀河中心から3 kpc以上離れた位置に分布し、タイミングノイズが約10 ns程度であるPTAにおいて、期待される信号振幅とノイズレベルを比較することで検出可能性を評価する。
• 潮汐破壊に対するチャンクの生存確率を、潮汐ショックエネルギーと束縛エネルギーの比を用いて評価する。
• 信号のモード（ダイポール対、四重極、モノポールなど）の違いにより、DMチャンク信号と他の一時的信号（例：二重ブラックホールからの重力波、スカラーフィールド振動）を区別する方法を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサータイミングアレイは、標準CDMモデルが予測する10⁻¹¹ M☉から10⁻⁸ M☉の質量範囲の小スケールダークマターのチャンクを検出可能か？
• RQ2 このようなチャンクの信号対ノイズ比を検出可能にするために、必要なタイミングノイズレベルとパルサー分布は何か？
• RQ3 DMチャンクの潮汐破壊と生存確率は、PTA観測における予想されるイベントレートにどのように影響を与えるか？
• RQ4 PTA観測は、DMチャンクの飛行と、二重ブラックホールからの重力波やスカラーフィールド振動といった他の一時的信号を区別可能か？
• RQ5 非検出または検出結果は、特に自由行程や運動的分離に起因する粒子物理学的性質に関連する、DMモデルにおけるカットオフ質量スケールをどのように制約するか？

主な発見

• 約100個のパルサーを有するPTAと約10 nsのタイミングノイズを持つ場合、数十年にわたり、標準CDMの豊度を仮定すれば、質量が約10⁻¹¹ M☉から10⁻⁸ M☉のDMチャンクを検出可能である。
• 検出可能な質量範囲は、粒子的性質（自由行程や運動的分離）によって決定されるハロー質量関数のカットオフスケールに制限される。
• DMチャンクの飛行による信号は、重力波信号と同程度の持続時間と振幅を持つ特徴的なダイポール型タイミング残差を生じるが、明確な多重極パターンを示す。
• 非検出結果は、DMモデルにおけるカットオフ質量スケールを制約し、弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）の質量といった、基礎的な粒子物理学的性質のプローブを提供する。
• この手法は、マイクロレンズ法やシャピロ遅延探索と補完的であり、ふわふわしたDMチャンクには感度が低いが、PBHのようなコンパクトな天体には高い感度を示す。
• チャンクの生存確率を保守的に見積もった場合でも、潮汐破壊の過大評価により、予想されるイベントレートは低く見積もられている可能性があり、計算値よりも高い検出可能レートが得られる可能性がある。