[論文レビュー] Neutrino Portal Dark Matter: From Dwarf Galaxies to IceCube

John F. Cherry, Alexander Friedland+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 43

ひとこと要約

本稿では、メビウススケールの中間子を介してダークマターと遮へい型の標準模型スリムニュートリノが相互作用する、隠れたU(1)ゲージ対称性を持つニュートリノポータル型ダークマター模型を提案する。この模型は、ニュートリノ混合によって駆動される遅延運動的分離によって小スケールダークマター問題を解決する一方で、超高エネルギーニュートリノの伝播に観測可能な修正を予測する—これはアイスキューブの高エネルギーニュートリノフラックスおよび源相関を介して検出可能である可能性がある。

ABSTRACT

It has been suggested that the baseline scenario of collisionless cold dark matter over-predicts the numbers of satellite galaxies, as well as the dark matter (DM) densities in galactic centers. This apparent lack of structure at small scales can be accounted for if one postulates neutrino-DM and DM-DM interactions mediated by light O(MeV) force carriers. In this letter, we consider a simple, consistent model of neutrinophilic DM with these features where DM and a "secluded" SM-singlet neutrino species are charged under a new $U(1)$ gauge symmetry. An important ingredient of this model is that the secluded sector couples to the Standard Model fields only through neutrino mixing. We observe that the secluded and active neutrinos recouple, leading to a large relic secluded neutrino population. This relic population can prevent small-scale halos from collapsing, while at same time significantly modifying the optical depth of ultra-high-energy neutrinos recently observed at Icecube. We find that the bulk of the parameter space accommodating an (a)symmetric thermal relic has potentially observable consequences for the IceCube high energy signal, with some of the parameter ranges already ruled out by the existing data. Future data may confirm this mechanism if either spectral absorption features or correlations with nearby sources are observed.

研究の動機と目的

• メビウススケールの中間子を介した自己相互作用型ダークマターを導入することで、コールドダークマターのシミュレーションにおけるクサス・コア問題、欠落衛星問題、そして「大きすぎるが失敗する」問題を解決すること。
• 標準模型に直接結合しないがニュートリノ混合を通じてのみダークセクターと結合するニュートリノ愛好的ダークマター模型を検討し、直接結合に起因する制約を回避すること。
• アクティブ・セクレテッドニュートリノ間の混合に起因するリリックニュートリノの再結合とその大規模構造形成への影響を、遮へいニュートリノの人口増加を伴って調査すること。
• この模型が超高エネルギーニュートリノの伝播に与える観測可能な影響、特にアイスキューブの高エネルギーニュートリノデータとの関連を評価すること。
• この模型が小スケールダークマター問題を同時に解決可能であり、将来のアイスキューブ観測によって検証可能であるパラメータ空間を同定すること。

提案手法

• ダークマターフェルミオンと遮へい型右巻きニュートリノの両方が新ゲージ群に従属するU(1)ゲージ対称性を持つ模型を構築する。
• アクティブと遮へいニュートリノ間の混合を実装し、ダークセクターと標準模型との間の相互作用を媒介することで、初期宇宙における熱的接触を可能にする。
• Gondoloら（2012）の手法を用い、フェルミ・ディラック統計とパウリ禁止則を組み込んだ、DM-ニュートリノ散乱に起因する運動量緩和率に基づく運動的分離計算を実施する。
• 混合に起因する断面積を用いて、リリック遮へいニュートリノ背景による超高エネルギーニュートリノの平均自由行程を計算する。
• 位相空間積分から導かれる正確な式を用い、ハッブル定数と散乱率のバランスから運動的分離温度を導出する。
• 摂動的自己相互作用が有効である低DM質量領域に焦点を当て、対称的および非対称的熱的リリックの両方のパラメータ空間を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メビウススケールの中間子を介するニュートリノ愛好的ダークマター模型は、矮星銀河におけるクサス・コア問題および欠落衛星問題を解決できるか？
• RQ2 アクティブと遮へいセクター間のニュートリノ混合は、遮へいニュートリノの顕著なリリック人口を生じさせるか？ その影響は構造形成にどのように現れるか？
• RQ3 ダークマターの自己相互作用および超高エネルギーニュートリノがリリック遮へいニュートリノ背景と散乱することで、アイスキューブにおける観測可能なニュートリノフラックスにどのような修正が生じるか？
• RQ4 小スケールダークマター問題を解決可能なパラメータ空間のうち、現在または将来のアイスキューブデータで検証可能な割合はどの程度か？
• RQ5 アイスキューブの高エネルギーニュートリノイベントと近接するBL Lac源との相関が、遮へいニュートリノ散乱に起因する吸収を示す証拠となるか？

主な発見

• ニュートリノ混合に起因する遅延再結合により、遮へいニュートリノのリリック人口が著しく増加し、従来の推定値を上回る数密度が得られる。
• 運動的分離温度は $ T_{KD} \approx 0.067~{\rm keV} \cdot \left( \frac{1}{N_{\nu}^{1/4} (g_X g_\nu)^{1/2}} \right) \left( \frac{m_X}{{\rm TeV}} \right)^{1/4} \left( \frac{m_\phi}{1~{\rm MeV}} \right) $ と計算され、以前の研究と整合的であるが、非対称DMへの拡張も含む。
• 小スケールダークマター問題（特に欠落衛星問題）を解決可能なパラメータ空間は、超高エネルギーニュートリノがリリック遮へいニュートリノ背景と散乱することで測定可能な吸収を受ける領域に位置する。
• 有効なパラメータ空間の顕著な割合は、特に強いスペクトル吸収特徴を示す領域において、既存のアイスキューブデータで制約または除外されている。
• 将来のアイスキューブデータで、高エネルギーニュートリノイベントと近接するBL Lac源との相関が観測された場合、遮へいニュートリノ背景による吸収が確認され、模型が裏付けられる可能性がある。
• この模型は、小スケールダークマター構造と高エネルギーニュートリノ天体物理学の間で、独自かつ検証可能な接続を提供し、ニュートリノ望遠鏡を用いたダークセクターの新たなプローブをもたらす。