[論文レビュー] Evidences for Collisional Dark Matter In Galaxies?

P. Salucci, N. Turini|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、スパイラル銀河におけるダークマターが顕著な自己相互作用を経験している可能性を示す証拠を提示することで、標準的な衝突なしのダークマター（CDM）理論に挑戦している。これにより、星間ディスクのスケールと相関する核密度プロファイルが生じる。11個の重ね合わせた回転曲線データを用い、ダークマターと星間物質の密度の積が、衝突なしモデルからの系統的逸脱を示しており、ダークマターと可視物質の間には直接的で重力以外の相互作用があることを示唆している。これは、標準的なWIMPを超える、より複雑な新しいダークセクターを示唆している。

ABSTRACT

The more we go deep into the knowledge of the dark component which embeds the stellar component of galaxies, the more we realize the profound interconnection between them. We show that the scaling laws among the structural properties of the dark and luminous matter in galaxies are too complex to derive from two inert components that just share the same gravitational field. In this paper we review the 30 years old paradigm of collisionless dark matter in galaxies. We found that their dynamical properties show strong indications that the dark and luminous components have interacted in a more direct way over a Hubble Time. The proofs for this are the presence of central cored regions with constant DM density in which their size is related with the disk lenghtscales. Moreover we find that the quantity $ρ_{DM}(r,L,R_D) ρ_\star (r,L,R_D)$ shows, in all objects, peculiarities very hardly explained in a collisionless DM scenario.

研究の動機と目的

• スパイラル銀河におけるダークマターと可視物質の間の観測された構造的相関が、標準的な衝突なしのダークマター理論と矛盾するかどうかを調査すること。
• ダークマターハローに一定密度のコアが存在する現象が、バリオンのフィードバックではなく、自己相互作用によって説明可能かどうかを検証すること。
• 観測されたダークマター密度プロファイルとΛCDMシミュレーションの予測との乖離を定量化すること、特に核-コア問題に関して。
• ダークマターとバリオン物質との間の直接的結合の意味を検討し、測定可能な相互作用断面積を持つ、新たなダークセクターの可能性を示唆すること。

提案手法

• 絶対的Iマグニチュードが-17.5から-24の範囲に及び、ハロー質量が10^11から10^13 M☉の170個のスパイラル銀河から得られた11個の重ね合わせ回転曲線の分析。
• スフィアカル変換を用いたフレイマン・ディスクプロファイルに基づく3次元星間ディスクのモデル化により、3次元星間物質密度分布を導出。
• ダークマターハローと星間ディスクの組み合わせモデルを用いた回転曲線のフィッティング。観測された速度分散と内部のrms誤差（2–5%）を制約条件に含む。
• すべての銀河において、ρ_DM(r,L,R_D) × ρ_*(r,L,R_D) の積を計算し、衝突なしの期待値からの系統的逸脱を検出。
• 可視物質と相互作用するダークマター粒子の吸収断面積を推定。その値は、超対称性理論が予測する値よりも3–5桁大きいことが判明。
• LHCおよびニュートリノ望遠鏡での検出可能性の評価。不可視粒子探索のための最適化されたトリガーとフォワード分光計を提案。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパイラル銀河における観測された核的ダークマター密度プロファイルは、衝突なしのダークマターモデルで説明可能か。それとも、自己相互作用を必要とするか。
• RQ2 なぜ銀河におけるダークマターと星間物質密度の積が、標準的なΛCDMおよびWIMPモデルの予測から系統的に逸脱しているのか。
• RQ3 観測された銀河内の構造的相関を説明するため、ダークマターとバリオン物質との間で必要な相互作用断面積はどの程度か。
• RQ4 もしダークマターが衝突しなければ、地下実験および加速器実験でWIMPが検出されないという事実が、銀河の運動学的観測と整合するか。
• RQ5 現在または将来のLHC実験、または高エネルギーガンマ線・ニュートリノ観測所で、このような自己相互作用的ダークセクターの検出シグナルが観測可能か。

主な発見

• ρ_DM(r,L,R_D) × ρ_*(r,L,R_D) の積は、すべての銀河で系統的でランダムでない逸脱を示しており、ダークマターと可視物質の間には直接的で重力以外の結合があることを示唆している。
• 観測されたダークマターハローの中心コア半径は、星間ディスクのスケール長と強く相関しており、これは完全に衝突なしのシナリオでは説明が難しい。
• 可視物質と相互作用するための必要なダークマター吸収断面積は、超対称性モデルが予測する値よりも3–5桁大きいと推定され、これは新たなダークセクターの存在を示唆している。
• 直接検出実験およびLHCでのWIMPの検出不能は、より強い自己相互作用およびバリオン物質との相互作用を伴う非衝突的ダークマター理論と整合的である。
• LHC実験、特にCT-PPSやAFPのようなフォワード分光計を用いることで、生産断面積がフェムトバーン領域にある場合、このような不可視で強く相互作用するダークマターの検出感度が向上する可能性がある。
• 100 GeV以上のエネルギーを持つ拡散的で、カットオフスペクトルを示す高エネルギー（E > 100 GeV）ガンマ線信号は、ダークマター吸収と相関する可能性があり、間接検出チャネルとして有効である。