[論文レビュー] Prediction for the neutrino mass in the KATRIN experiment from lensing by the galaxy cluster A1689

Theo M. Nieuwenhuizen, Andrea Morandi|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Mar 31, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、銀河団A1689の強いかつ弱いかのレンズ効果データをもとに、ダークマターが縮重した等温ニュートリノから構成されていると仮定した場合、電子反ニュートリノ質量が1.50 ± 0.05 (系) ± 0.03 (統計) eV/c²であると提案している。このモデルは、標準的なNFW冷ダークマタープロファイルよりもデータにうまく合う。特に275 kpcを超えてレンズ効果が急激に減少する点が特徴的であり、KATRIN実験で検証可能な質量予測がなされている。

ABSTRACT

The KATRIN experiment in Karlsruhe Germany will monitor the decay of tritium, which produces an electron-antineutrino. While the present upper bound for its mass is 2 eV/$c^2$, KATRIN will search down to 0.2 eV$/c^2$. If the dark matter of the galaxy cluster Abell 1689 is modeled as degenerate isothermal fermions, the strong and weak lensing data may be explained by degenerate neutrinos with mass of 1.5 eV$/c^2$. Strong lensing data beyond 275 kpc put tension on the standard cold dark matter interpretation. In the most natural scenario, the electron antineutrino will have a mass of 1.5 eV/$c^2$, a value that will be tested in KATRIN.

研究の動機と目的

• 銀河団A1689のダークマターが、とりわけニュートリノである縮重した等温フェルミ粒子で説明可能かどうかを検証すること。
• 標準的な冷ダークマター（NFW）モデルに挑戦する、275 kpcを超えて観測される強いレンズ効果データの不一致を解消すること。
• レンズ効果観測と近い将来のKATRIN実験に整合するニュートリノ質量を予測すること。
• 約1.5 eV/c²の活性的およびステアリックニュートリノが、主要なダークマター成分を占め得る可能性を検討すること。
• KATRIN実験が、電子反ニュートリノとわずかに混合する質量固有状態であっても、1.5 eV/c²のニュートリノ質量を検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• A1689の強いレンズ効果および弱いレンズ効果データを、縮重したニュートリノを仮定した等温フェルミ粒子モデルでフィットする。
• Coeら（2010）の観測データを用いて、等温ニュートリノモデルと標準的なNFWプロファイルの冷ダークマターとの比較を行う。
• レンズ効果方程式を用い、背景銀河からの光の屈折を、クラスタの質量分布に基づいてモデル化する。
• X線ガスおよび星の質量成分を合計質量予算に組み込み、ニュートリノ寄与を制約する。
• 統計的フィッティングを用いて、レンズ効果データからニュートリノ質量を導出し、系統的および統計的不確実性を評価する。
• ステアリックニュートリノが約1.5 eV/c²の質量を持つ場合、ダークマターおよびニュートリノ振動データ（LSDN、MiniBooNE）に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A1689の強いレンズ効果および弱いレンズ効果データは、標準的なNFW冷ダークマタープロファイルよりも、等温ニュートリノモデルでよりよく説明可能か？
• RQ2 275 kpcを超えて観測されるレンズ効果の急激な減少は、縮重ニュートリノのような非冷たいダークマターモデルを支持するか？
• RQ3 A1689のダークマターが縮重ニュートリノから構成されていると仮定した場合、予測される電子反ニュートリノ質量は何か？
• RQ4 予測される1.5 eV/c²のニュートリノ質量は、KATRIN実験の感度範囲内にあるか？
• RQ5 質量固有状態が電子反ニュートリノとわずかに混合する場合でも、KATRINは1.5 eV/c²のニュートリノ質量を検出可能か？

主な発見

• 等温ニュートリノモデルは、A1689の強いレンズ効果および弱いレンズ効果データを、NFWプロファイルよりもよくフィットする。特に275 kpcを超えて顕著である。
• 最良のフィットによるニュートリノ質量は、1.50 ± 0.05（系統的）± 0.03（統計的）eV/c²であり、統合されたレンズ効果データから導出された。
• 全活性ニュートリノ質量は4.5 eV/c²（3 × 1.5 eV/c²）と推定され、臨界密度の20–25％のダークマター寄与を示唆する。
• このモデルは、
• 等温ニュートリノモデルは、
• このモデルは、KATRIN実験が1.5 eV/c²のニュートリノ質量を検証可能であると予測するが、混合が小さい場合、ステアリックニュートリノがダークマターである可能性は非検出であっても排除されない。
• レンズ効果データは、ニュートリノがX線ガスよりも局在化していることを示唆しており、これにより
• このモデルは、短基準長のニュートリノ振動データ（LSDN、MiniBooNE）と整合する。これらのデータは、約1 eV/c²のステアリックニュートリノの存在を示唆している。