[論文レビュー] Phenomenology of a Neutrino-DM Coupling: The Scalar Case

Céline Bœhm, A. Olivares-Del Campo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、ディラックフェルミオン媒介粒子を通じて左巻きニュートリノと結合するスカラー暗黒物質（DM）候補を検討し、熱的残り稠度と大規模構造における衝突減衰の宇宙論的制約を分析している。両制約を満たすために、複素DMは8.14 keV以上、実DMは18.1 eV以上でなければならないことが判明した。これは結合定数に依存せず、DM質量が10 MeVを超えるとプランクの有効ニュートリノ種数測定による制約が強くなる。

ABSTRACT

Dark matter (DM) and neutrinos are the two most compelling pieces of evidence of new physics beyond the Standard Model of Particle Physics but these are often treated as belonging to two different sectors. Yet DM-neutrino interactions are known to have cosmological consequences. Here, we study the scenario of a scalar DM candidate coupled to left-handed neutrinos via a Dirac mediator. We determine the mass of a DM candidate that yields the right DM relic abundance in a thermal scenario and it is consistent with large-scale structure formation. In order to satisfy both constraints, a complex DM candidate should have a mass larger than $8.14$ keV while the mass of a real DM candidate should be above $18.1$ eV, independently of the value of the DM-neutrino coupling.

研究の動機と目的

• スカラーDM候補が左巻きニュートリノとディラック媒介子を介して相互作用する場合の宇宙論的妥当性を調査すること。
• 熱的残り稠度と大規模構造制約を両方満たすために必要なDM質量の最小値を特定すること。
• ニュートリノ検出、残り稠度、構造形成がDM-ニュートリノ相互作用のプローブとしてどのように相補的かを評価すること。
• 宇宙論的制約下でのDMおよび媒介粒子のモデルに依存しない質量下限を確立すること。

提案手法

• スカラーDMが左巻きニュートリノとヤコビ相互作用により結合する簡略化された有効理論を用いる。
• 観測された残り稠度 ΩDMh² = 0.1188 に一致するように、DMがニュートリノへと崩壊する熱平均断面積 ⟨σv⟩ を計算する。
• DMとニュートリノ間の弾性散乱断面積 σel を評価し、大規模構造における衝突減衰を制約する。
• スーパーカムイオカンデの超新星残りニュートリノ探索とプランクの有効ニュートリノ種数からの制約を適用する。
• mν → 0 を仮定して、⟨σv⟩ と σel の解析的表現をDM質量、媒介粒子質量、結合定数gの関数として導出する。
• 導出された断面積を観測的制約と比較し、妥当なDM候補のモデルに依存しない質量制限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的凍結アウトを介して観測された残り稠度を満たすと同時に、大規模構造観測と整合するスカラーDM候補の最小質量は何か？
• RQ2 DM-ニュートリノの弾性散乱断面積は、衝突減衰および小スケール構造の抑制にどのように影響するか？
• RQ3 スーパーカムイオカンデのデータにおける単色ニュートリノフラックスの不在が、複素DMおよび実DMのDM-ニュートリノ結合に課す制約は何か？
• RQ4 低速度域におけるp波およびd波の抑制効果が、低速度域での残り稠度計算に与える影響は何か？
• RQ5 DMがニュートリノと熱平衡にある場合、有効ニュートリノ種数に与える影響は何か？ これはDM質量にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 複素スカラーDMの場合、DM-ニュートリノ結合定数に依存せず、残り稠度と衝突減衰両方の制約を満たすために最小8.14 keVの質量が必要である。
• 実スカラーDMの場合、同様に結合定数に依存せず、両制約を満たすために最小18.1 eVの質量が必要である。
• 弾性散乱断面積の衝突減衰制約は、DM質量が8.14 keV（複素）または18.1 eV（実）を超えると最も厳しくなる。実DMのほうが高次の速度依存性のため、制約がより厳しい。
• プランクによる有効ニュートリノ種数の測定は、複素DMおよび実DMの両方でmDM > 10 MeVを要求するより強い下限をもたらし、これは媒介粒子質量が複素DMでmN > 3.55 GeV、実DMでmN > 0.14 GeVに相当する。
• 低速度域ではp波およびd波の抑制により、DMの崩壊断面積が小さくなり、ニュートリノ検出器による重いDMの制約は効果が薄くなるが、複素DMの場合を除いては有効でない。
• mDM ≈ mN の縮退領域では共鳴的挙動により弾性散乱断面積が増幅され、mN–mDM平面の対角線上に顕著な増幅が見られる。