[論文レビュー] First direct astrophysical constraints on dark matter interactions with ordinary matter at very low velocities

Digvijay Wadekar, Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、Leo T矮星族銀河および銀河系のガス雲におけるガス加熱と冷却のバランスを用いて、非常に低い速度（約10 km/s）における通常物質とのダークマター（DM）相互作用に対する最初の直接的宇宙物理学的制約を導出する。これは、m < 1 GeVのミリチャージドDM、超軽量ダークフォトンDM、およびDM-電子散乱に対して強い制約を提示し、任意の速度依存性を持つDM-バリオン断面積に対する制約を改善する。

ABSTRACT

We derive the first direct constraints on dark matter cross sections at very low velocity, v $\approx$ 10 km/s, by requiring that the heating/cooling due to DM interacting with gas in the Leo T dwarf galaxy not exceed the radiative cooling rate of the gas. This gives strong direct limits on millicharged DM with mass $\lesssim$ 1 GeV, which close important gaps in the exclusion plots and add to constraints on the recent EDGES 21 cm absorption anomaly. We also set new bounds on ultra-light dark photon DM and on DM-electron interactions. Combining equilibrium heating/cooling constraints from Leo T and robust Galactic gas clouds, we improve the constraints on DM-baryon cross-sections for arbitrary velocity dependences.

研究の動機と目的

• 非常に低い速度（v ≈ 10 km/s）におけるダークマター相互作用に対する直接的宇宙物理学的制約を導出すること。この速度領域では、従来の制約が不足している。
• 特にEDGES 21 cm異常に関連する、質量 < 1 GeVのミリチャージドダークマターの除外プロットにおけるギャップを埋めること。
• 静穏な系におけるガスの熱平衡を用いて、超軽量ダークフォトンダークマターおよびダークマター-電子散乱に対する制約を強化すること。
• Leo Tと銀河系のガス雲からのデータを統合することで、速度依存性を持つDM-バリオン断面積に対する堅固な制約を確立すること。

提案手法

• ダークマターが電子および陽子と散乱することで生じる星間ガスの加熱率をモデル化する。
• Leo T矮星族銀河におけるDM誘発加熱率と放射冷却率を比較し、安定性のためには加熱 ≤ 冷却であることを要求する。
• 同様の平衡条件を拡散的な銀河系のガス雲に適用して、制約を強化する。
• DM誘発加熱と放射冷却のバランスを用いて、DM-バリオン散乱断面積の上界を導出する。
• 異なる速度領域における制約を分析することで、断面積に速度依存性を組み込む。
• Leo Tおよび銀河系のガス系の結果を統合し、ミリチャージドDM、ダークフォトンDM、および電子散乱DMモデルに対する制約を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量 < 1 GeVのミリチャージドダークマターについて、非常に低い速度（約10 km/s）における最も強い直接的制約は何か？
• RQ2 Leo T矮星族銀河におけるガス加熱と冷却のバランスは、バリオンとのダークマター相互作用にどのように制約を加えるか？
• RQ3 銀河系のガス雲の観測は、ダークマター-バリオン散乱断面積に対する制約をどの程度改善するか？
• RQ4 これらの制約は、EDGES 21 cm吸収異常解釈にどのような影響を及えるか？
• RQ5 超軽量ダークフォトンダークマターおよびダークマター-電子散乱モデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 本研究は、速度が ≈ 10 km/sであるという、従来の制約が不足していた領域における、ダークマター相互作用に対する最初の直接的宇宙物理学的制約を設定した。
• 質量 < 1 GeVのミリチャージドダークマターは強く制約され、既存の除外プロットにおける大きなギャップが埋まった。
• 超軽量ダークフォトンダークマターについても新たな制約が確立され、低速度領域における制約が強化された。
• Leo Tおよび銀河系のガス雲におけるガスの熱平衡を用いて、ダークマター-電子散乱に対する制約が厳しくなった。
• Leo Tと銀河系のガスデータを統合することで、すべての速度領域における速度依存性を持つDM-バリオン断面積に対する制約が改善された。
• 結果はEDGES 21 cm吸収異常に関連する制約と整合的であり、低質量ダークマターモデルの妥当なパラメータ空間を縮小した。