[論文レビュー] Dwarf Galaxy Sized Monopoles as Dark Matter?

Jarah Evslin, Sven Bjarke Gudnason|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 84被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、低表面輝度銀河および矮小球状銀河におけるダークマターが、付随するヒッグスと2つのフェルミオンフレーバーを持つ弱く結合したSU(2)ゲージ系に存在する銀河サイズの't Hooft-Polyakov磁気モノポールであると提案する。このモデルは、ディラック量子化とモノポールスクリーニングを通じて、観測されたハローの性質——最小質量、一定密度コア、および$1/r^2$の密度プロファイル——を自然に説明し、少なくとも$\sqrt{2}$の離散的かつ断続的な速度分散ギャップを予測する。このギャップは、既存のデータでもすでに反証可能である可能性がある。

ABSTRACT

We propose a model of dark matter: galaxy-sized 't Hooft-Polyakov magnetic monopoles in a new, extraordinarily weakly coupled SU(2) gauge sector with an adjoint Higgs field and two flavors of fundamental fermions. We fit the parameters by asserting that the dark matter halos of the lightest dwarf spheroidal (dSph) galaxies consist of a single charge Q=1 monopole. Lensing and wide binary bounds are then easily satisfied and the monopoles form in time to help with CMB fluctuations. In this model dSph and low surface brightness (LSB) halos automatically have (1) A minimum mass - Dirac quantization solves the missing satellite problem, (2) A constant density core (r

研究の動機と目的

• コールドダークマターのシミュレーションにおける欠落した衛星問題とくびれコアの不一致を解決するため、新しいダークマター候補を提案すること。
• 矮小球状銀河および低表面輝度銀河における観測された最小質量、一定密度コア、および$1/r^2$の密度プロファイルを説明すること。
• モノポールの量子化とスクリーニングを通じて、低質量ハローの不在とdSphにおける観測された半径方向速度分散のパターンを説明すること。
• レンズ効果、広域二重星系、およびCMB構造形成との整合性を検証することで、モノポールベースのダークマターの妥当性を評価すること。

提案手法

• モノポールを安定化させるために、付随するヒッグス場と2つの基本フェルミオンフレーバーを持つ、極めて弱く結合した新しいSU(2)ゲージ系を仮定する。
• ディラック量子化を適用して、モノポールが量子化された磁気的電荷$Q=1$を持つことを保証し、これにより最小ハロー質量が得られる。
• ジャッキ・リービー機構を用いて4種類のモノポール種を生成し、1つの軽い種が重い種の間の反発的相互作用をスクリーニングすると仮定する。
• 宇宙の相転移中にモノポールが形成されることをモデル化し、CMBの不均一性を引き起こすのに十分に初期に形成されることを保証する。
• ジェーンの式とハロー密度プロファイルを適用して、dSphおよびLSBにおける観測された星の速度分散と回転曲線に一致させる。
• 非BPSモノポール間の反発的力を緩和するためのスクリーニング効果を導入し、銀河の安定性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱く結合したゲージ系に存在する銀河サイズの磁気モノポールが、矮小球状銀河における観測された最小ハロー質量を自然に生じさせるか。
• RQ2 このモデルが、dSphおよびLSBハローにおける観測された一定密度コアと$1/r^2$の中間密度プロファイルを再現できるか。
• RQ3 モノポールモデルが、dSphにおける観測された半径方向速度分散のパターンとその離散的な間隔を説明できるか。
• RQ4 提案されたモノポールモデルが、レンズ効果、広域二重星系、およびCMB非均一性の観測と整合性を持つか。
• RQ5 このモデルが、低質量ハローの不在と矮小銀河における観測されないくびれの不在を説明できるか。

主な発見

• ディラック量子化による最小ハロー質量の予測により、欠落した衛星問題が解決される。
• 自然に一定密度コアと中間的な$1/r^2$密度プロファイルが得られ、dSphおよびLSBの運動学と整合的である。
• コアの半径$r_1$は、$r_1 < r < r_2$における星の速度分散に比例し、構造と力学の関係を結ぶ。
• $r_2$はおおよそ$Q$に依存せず、dSphハローが半光半径および潮汐半径の少なくとも10倍以上にまで広がっていることを示唆する。
• モデルは、星の速度分散に少なくとも$\sqrt{2}$の離散ギャップを予測し、最小の許容される分散は次の最小分散の$1/\sqrt{2}$倍である。
• 現在のスローン・デジタルスカイサーベイ（SDSS）データを用いて、予測された分散ギャップはすでに反証の可能性がある段階にある。