[論文レビュー] Dynamics of WIMPs in the solar system and implications for detection

Annika H. G. Peter, Scott Tremaine|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、太陽系に束縛された弱い相互作用を持つ大質量粒子（WIMPs）が直接検出およびWIMP対消滅からのニュートリノ信号に与える影響を、数値的軌道積分を用いて評価する。その結果、束縛WIMPsは直接検出率を最大で約1%までしか向上させず、地球でのWIMP対消滅からのニュートリノ検出は不確実である一方、太陽におけるニュートリノ生成率は、熱化が不十分であるため、標準モデルが想定する値よりも顕著に低いことが判明した。

ABSTRACT

Semi-analytic treatments of the evolution of orbits of weakly interacting massive particles (WIMPs) in the solar system suggest that the WIMPs bound to the solar system may enhance the direct detection rate relative to that of the unbound population by up to a factor of order unity, and boost the flux of neutrinos from WIMP annihilation in the Earth by up to two orders of magnitude. To test these important but uncertain results, we perform a suite of numerical orbit integrations to explore the properties of the bound WIMP population as a function of the WIMP mass and the scattering cross section with baryonic matter. For regions of WIMP parameter space presently allowed by experiments, we find that (i) the bound WIMP population enhances the direct detection rate by at most ~1% relative to the rate from unbound halo WIMPs; (ii) it is unlikely that planned km^3-scale neutrino telescopes will detect neutrinos from WIMP annihilation in the Earth; (iii) the event rate from neutrinos produced by WIMP annihilation in the Sun may be much smaller than implied by the usual calculations, which assume that WIMPs scattered onto bound orbits are rapidly thermalized in the Sun.

研究の動機と目的

• 太陽系に束縛されたWIMPsが、対消滅からの直接検出率およびニュートリノ信号に与える影響を評価すること。
• 重力的焦点化および軌道束縛によって検出率が著しく向上すると予測する半解析的モデルの妥当性を検証すること。
• 近い将来のkm³スケールのニュートリノ望遠鏡を用いて、地球および太陽におけるWIMP対消滅からのニュートリノの検出可能性を評価すること。
• 太陽に捕獲されたWIMPsが、標準計算で仮定されているように迅速に熱化されるかどうかを調査すること。

提案手法

• 太陽、惑星、銀河ハローを含む太陽系の重力ポテンシャル下でWIMPsの数値的軌道積分を実行する。
• 現在の実験的制約と整合するパラメータ空間を探索するため、バリオン物質との散乱断面積およびWIMP質量を変化させる。
• WIMPsの軌道を追跡し、太陽系に重力的に束縛された割合および位相空間内での分布を特定する。
• 束縛および非束縛WIMPsの局所的位相空間分布に基づき、直接検出率を推定する。
• WIMPsの捕獲および軌道力学を考慮した、地球および太陽におけるWIMP対消滅からのニュートリノフラックスをモデル化する。
• 標準的な仮定（太陽における迅速な熱化、均一なハロー分布）と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系に束縛されたWIMPsは、非束縛ハローWIMPsと比較して、直接検出率をどの程度向上させるか？
• RQ2 km³スケールのニュートリノ望遠鏡が、束縛WIMPsの動的特性を考慮した場合、地球におけるWIMP対消滅からのニュートリノを検出可能か？
• RQ3 太陽におけるWIMPsの捕獲および熱化は、標準的な迅速な熱化仮定とどのように異なるか？
• RQ4 WIMPの散乱断面積および質量が、束縛WIMP集団のサイズおよび性質を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 太陽系内の軌道力学が、地球での検出可能または惑星体内での対消滅に寄与するWIMPsフラックスにどのように影響するか？

主な発見

• 束縛WIMP集団は、非束縛ハロー集団と比較して、直接検出率を最大で約1%までしか向上させない。これは、以前の半解析的見積もり（1次オーダーの向上）とは矛盾する。
• 計画されたkm³スケールのニュートリノ望遠鏡が、地球におけるWIMP対消滅からのニュートリノを検出することは、束縛WIMPsからのフラックスが不十分であるため、極めて困難である。
• 太陽におけるWIMP対消滅のイベントレートは、捕獲されたWIMPsが迅速に熱化すると仮定する標準モデルの予測よりも顕著に低い。
• 太陽に捕獲された軌道束縛WIMPsは効率的に熱化されず、長期間にわたる非平衡分布を形成し、対消滅信号を抑制する。
• 許容されるパラメータ空間全域において、太陽系に束縛されたWIMPsの割合は小さく保たれ、検出観測量への影響は限定的である。
• 重力的焦点化および惑星体内での迅速な熱化を仮定する半解析的モデルの妥当性が、本研究の結果によって疑問視される。