[論文レビュー] Kinetic Heating from Contact Interactions with Relativistic Targets: Electrons Capture Dark Matter in Neutron Stars

A. Joglekar, Nirmal Raj+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 65被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、フェルミ縮退とローレンツ不変性を考慮した相対論的量子場理論フレームワークを構築し、超相対論的電子との散乱を通じて中性子星におけるダークマター捕獲を計算する。この研究では、このような捕獲による運動的加熱が、地上実験における直接検出法よりも、スピン0およびスピン1/2のダークマターに対する次元6接触相互作用を通じたダークマター-レプトン相互作用の発見範囲を広くする可能性を示している。

ABSTRACT

Dark matter can capture in neutron stars from scattering off ultra-relativistic electrons. We present a method to calculate the capture rate on degenerate targets with ultra-relativistic momenta in a compact astronomical object. Our treatment accounts for the target momentum and the Fermi degeneracy of the system. We derive scaling relations for scattering with relativistic targets and confirm consistency with the non-relativistic limit and Lorentz invariance. The potential observation of kinetic heating of neutron stars has a larger discovery reach for dark matter--lepton interactions than conventional terrestrial direct detection experiments. We map this reach onto a set of bosonic and fermionic effective contact interactions between dark matter and leptons as well as nucleons. This completes the study of spin-0 and spin-1/2 dark matter kinetic heating of neutron stars through contact operators with Standard Model fermions up to dimension-6. Our method is generalizable to dark matter scattering in any degenerate medium where the Pauli exclusion principle leads to relativistic targets with a constrained phase space for scattering.

研究の動機と目的

• 縮重した媒体における超相対論的電子と散乱するダークマターの捕獲をモデル化すること。
• 散乱過程におけるフェルミ縮退および相対論的標的運動量の効果を考慮すること。
• 中性子星における運動的加熱を活用することで、地上直接検出をはるかに超えるダークマター検出の範囲を拡大すること。
• 接触相互作用を通じてボソン的およびフェルミオン的ダークマター模型の間で、発見可能性を体系的にマップすること。
• パウリ禁止原理が散乱状態空間を制限する任意の縮重媒体への応用を可能にする一般化手法の構築

提案手法

• 縮重フェルミガス中の超相対論的電子と散乱するダークマターの相対論的散乱振幅を定式化する。
• ローレンツ不変性を保ちながら、捕捉率を計算するための相対論的量子場理論的手法を適用する。
• 最終状態の位相空間を縮重した標的において散乱を制限するパウリの禁則原理を組み込む。
• 相対論的極限における散乱断面積のスケーリング則を導出し、非相対論的極限と整合性を確認する。
• 有効場理論を用いて、ダークマターと標準模型フェルミオン（レプトンおよび核子）の間の次元6接触相互作用をモデル化する。
• 得られた運動的加熱信号を、ダークマターのスピンおよび統計的性質に応じた観測可能な制約および発見可能性にマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星における相対論的電子運動量が、ダークマター粒子の捕獲率にどのように影響するか？
• RQ2 フェルミ縮退が、中性子星におけるダークマター散乱の位相空間および断面積に与える影響は何か？
• RQ3 中性子星におけるダークマター捕獲に起因する運動的加熱は、地上直接検出法と比較して、ダークマター-レプトン相互作用の発見範囲においてどのように差を生じるか？
• RQ4 レプトンおよび核子との接触相互作用を通じたスピン0およびスピン1/2のダークマター模型に対する制約と感度は何か？
• RQ5 パウリブロッキングが散乱を制限する任意の縮重媒体に、この手法を一般化できるか？

主な発見

• フェルミ縮退および相対論的運動論的状態のため、超相対論的電子と散乱する場合、中性子星におけるダークマターの捕獲率が顕著に向上する。
• 非相対論的極限およびローレンツ不変性の両方と整合することが確認され、相対論的取り扱いの妥当性が裏付けられる。
• ダークマター捕獲に起因する運動的加熱は、従来の地上直接検出実験よりも、ダークマター-レプトン相互作用の発見範囲を広げる。
• 本手法により、レプトンおよび核子との次元6接触相互作用を通じたスピン0およびスピン1/2のダークマター模型の包括的サーベイが可能になる。
• パウリ禁止原理が散乱状態空間を制限する任意の縮重媒体への応用が可能である。
• 本研究では、観測可能な中性子星の加熱と、ダークマター相互作用の有効場理論パラメータとの間の定量的関係を確立した。