[論文レビュー] Insights on Dark Matter from Hydrogen during Cosmic Dawn

Julián B. Muñoz, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用数 131

ひとこと要約

この論文は、微小な電気的ミニチャージを持つサブパーセントの暗黒物質が宇宙黎明期にバリオンを冷却できるかを検討し、EDGESの21-CM吸収信号を説明する可能性を示すとともに、他の観測からの制約を区分して示している。

ABSTRACT

The origin and composition of the cosmological dark matter remain a mystery. However, upcoming 21-cm measurements during cosmic dawn, the period of the first stellar formation, can provide new clues on the nature of dark matter. During this era, the baryon-dark matter fluid is the slowest it will ever be, making it ideal to search for dark matter elastically scattering with baryons through massless mediators, such as the photon. Here we explore whether dark-matter particles with an electric "minicharge" can significantly alter the baryonic temperature and, thus, affect 21-cm observations. We find that the entirety of the dark matter cannot be minicharged at a significant level, lest it interferes with Galactic and extragalactic magnetic fields. However, if minicharged particles comprise a subpercent fraction of the dark matter, and have charges $ε\sim 10^{-6}$---in units of the electron charge---and masses $m_χ\sim 1-60$ MeV, they can significantly cool down the baryonic fluid, and be discovered in 21-cm experiments. We show how this scenario can explain the recent result by the EDGES collaboration, which requires a lower baryonic temperature than possible within the standard model, while remaining consistent with all current observations.

研究の動機と目的

• 宇宙黎明期の21-cm信号を用いた非重力的なDM-バリオン相互作用の探索を動機づける。
• ミニチャージ暗黒物質の分率がバリオンの温度と21-cm観測量に与える影響を定量化する。
• EDGESおよび既存の制約と整合するパラメータ領域（質量、電荷、分率）を特定する。
• 今後の実験での21-cmゆらぎの伴う検出可能性を評価する。

提案手法

• 質量ゼロの媒介子を用いるDM-バリオン elastic scattering をモデル化し、運動量移動断面 abardot_t = 2    \ を導く,
•  (Equation 1) を用いてDebye 対数を含むDM-バリオン相互作用を記述する   𝑟_t) (Equation 4)。
• T_b、T_{ chi}、および v_{ chi,b} の結合微分方程式を用いてバリオンとミニチャージ暗黒物質の温度進化を計算する（Equations 7a–7d）。
• T^{21}（式 17）とその天空平均値（式 18）へのバリオン冷却の翻訳を行う。
• 観測的制約（SN1987A、SLAC millicharge、BBN、N_eff）と relic-abundance の考慮（式 12–16、図 1）を取り入れる。
• f_{dm} がサブパーセントである場合、m_{hi}-平面における derived cooling region をどのように形成し、21-cmゆらぎの可能性を議論するか（図2）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブパーセント分率の暗黒物質で小さな電磁ミニチャージを持つ場合、宇宙黎明期のバリオニックガスを顕著に冷却できるか？
• RQ2 epsilon のミニチャージとDM質量 m_{ chi} のどの領域で十分な冷却が得られ、外部制約に違反しないか？
• RQ3 DM-バリオン相互作用は EDGES 時代の21-cm 明るさ温度とそのゆらぎをどのように修正するか？
• RQ4 必要なミニチャージDMシナリオはレリックアブンダンスや他の天体・宇宙論的制約と整合するか？

主な発見

• サブパーセントの分率 f_{dm} e 10^{-2} のミニチャージDM が電荷
  10^{-6}、質量 m_{ chi}  10 MeV の範囲でバリオニック流体を顕著に冷却できる。
• バリオンの冷却を達成するのに必要なミニチャージはおおよそ次のスケールに対応する。1)  m_{ chi}（m_{ chi} < 6 GeV  f_{dm}）。論文は経験的関係式 b ϵ(m_{ chi}, f_{dm})
  7 6  10^{-7} (m_{ chi}/MeV) (f_{dm}/10^{-2})^{-3/4} を提供する。
• EDGES の結果は z  17 で T_b  4 K を要求するが、 stated regime におけるミニチャージDM が存在すれば標準宇宙論と整合し得る一方、他の境界とも整合する。
• ミニチャージDM は全DM を構成しないが、T^{21} に影響を与え、天空平均信号の約 1% の規模の追加的21-cmゆらぎを誘発し得る。これは HERA や SKA によって検出される可能性がある。
• SN1987A、BBN、CMB N_eff、およびレリック abundances からの制約は、f_{dm}=1 の大きなパラメータ領域を一般に排除するが、f_{dm} e 10^{-2} で 0^{-6} (m_{ chi}/{ m MeV})^{0.3} のスケーリングを取る領域は有望に開かれている。
• ミニチャージ成分がガスを 2 倍に冷却する場合、21-cm 信号は標準モデルの予測より深くなる可能性があり、示されたパラメータ窓内で現在の観測と整合する。