[論文レビュー] Probing below the neutrino floor with the first generation of stars

Cosmin Ilie, Caleb Levy+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、初期の第3星族星の観測を用いて、ダークマター（DM）-核子相互作用を制約する手法を提案している。これは、高密度のダークマター環境を有する星を活用するものである。著者らは、赤方偏移 z∼7 の候補となる第3星族系を分析し、スピン非依存およびスピン依存のDM-陽子断面積に関して、現在知られている中で最も厳しい制限を導出している。この制限はニュートリノフロア以下をカバーしており、将来的な直接検出実験にとって極めて重要である。

ABSTRACT

We show that the mere observation of the first stars (Pop III stars) in the universe can be used to place tight constraints on the strength of the interaction between dark matter and regular, baryonic matter. We apply this technique to a candidate Pop III stellar complex discovered with the Hubble Space Telescope at $z \sim 7$ and find bounds that are competitive with, or even stronger than, current direct detection experiments, such as XENON1T, for dark matter particles with mass ($m_X$) larger than about $100$ GeV. We also show that the discovery of sufficiently massive Pop III stars could be used to bypass the main limitations of direct detection experiments: the neutrino background to which they will be soon sensitive.

研究の動機と目的

• 第3星族星（第3星族星）を用いたダークマター相互作用を制約する、新しい天体物理学的手法を確立すること。
• 特に、近い将来に地上実験の感度を制限するニュートリノ背景のフロアに起因する直接検出実験の限界を克服すること。
• 広範なダークマスレンジにわたってスピン非依存およびスピン依存のダークマター-陽子散乱断面積に対する、より厳しい制約を提供すること。
• 現在の直接検出実験では到達できないパラメータ空間、特にニュートリノフロア以下の領域を、質量の大きな第3星族星が探査可能であることを示すこと。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡のデータを用いて、赤方偏移 z∼7 で特定された第3星族星系の観測的性質を利用する。
• 初期星形成環境におけるダークマター捕獲および加熱の理論的モデルを適用し、ダークマターが自己対消滅すると仮定する。
• 流体力学的シミュレーションと断熱的収縮を施したNFWダークマター密度プロファイルを用いて、第3星族星周辺の局所的ダークマター密度を推定する。
• ダークマター捕獲率および星内へのエネルギー供給を計算し、観測可能な星の質量および明るさと、DM-核子断面積の制約を結びつける。
• 星の安定性が損なわれないよう、DM対消滅によるエネルギー出力を制限することで、DM-陽子散乱断面積の除外限界を導出する。
• スピン非依存およびスピン依存の両方の相互作用を考慮し、ダークマター密度の範囲（ρX ∼ 10^13–10^16 GeV cm⁻³）にわたって境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第3星族星の観測は、ダークマター-核子散乱断面積に対する新たな制約を提供できるか？
• RQ2 第3星族星は、直接検出実験におけるニュートリノフロア以下のパラメータ空間をどの程度探査できるか？
• RQ3 ニュートリノフロアまでダークマター相互作用を制約できるために必要な最小のダークマター密度は何か？
• RQ4 異なる星質量（例：300 M⊙、1000 M⊙）は、ダークマター相互作用強度への感度にどのように影響するか？
• RQ5 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による質量の大きな第3星族星の発見は、従来到達不可能であったダークマターのパラメータ空間の探査を可能にするか？

主な発見

• 本研究は、従来のWIMP窓外のダークマスレンジにおいて、スピン非依存およびスピン依存のDM-陽子散乱断面積に関して、現在知られている中で最も厳しい制約を達成した。
• 1000 M⊙の第3星族星では、局所的ダークマター密度が ρX ∼ 10^17 GeV cm⁻³ を超えると、ニュートリノフロア以下のDM-陽子断面積を探査可能である。
• 保守的なダークマター密度（ρX ∼ 10^13 GeV cm⁻³）でさえも、スピン依存相互作用のこれまで未探索の広範なパラメータ空間を除外する。
• スピン非依存相互作用では、ρX ∼ 10^14 GeV cm⁻³ の条件下で、ダークマスが ∼10⁵ GeV 以上の場合、XENON1Tの結果と同等の感度に達する。
• 各星質量に対して、星の存在がニュートリノフロアまでに達するすべてのDM断面積を除外できる臨界のダークマター密度 ρX;nf を同定した。
• 結果から、将来的にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いた質量の大きな第3星族星の観測が、ニュートリノフロア以下のダークマターを探索する強力な新手法となり、現在の地上実験の限界を上回る可能性がある。