[論文レビュー] Self-interacting dark matter as a solution to the problems in small-scale structures

Camilo García-Cely, Xiaoyong Chu|arXiv (Cornell University)|May 17, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、10–500 MeVの質量を有する自己相互作用型ダークマター（SIDM）が、やや重いマスサーのゲージボソン（Z′）と結合することで、ΛCDMモデルにおける小スケール構造問題（コア・カスプ問題やToo-Big-To-Fail問題）を解決可能であり、また、凍結過程による再結合密度制約を満たしうると提案している。主な結果は、運動エネルギー混合されたZ′ボソンを通じたp波抑制型の消失（DM + DM → Z′ → SMフェルミオン）が、間接検出やCMB制約に反しないまま、大規模な自己相互作用断面積（σ/m_DM ~ 1 cm²/g）を実現可能であるということである。

ABSTRACT

Dark matter self-interactions are a well-motivated solution to the core-vs.-cusp and the too-big-to-fail problems. They are commonly induced by means of a light mediator, that is also responsible for the dark matter freeze-out in the early universe. Motivated by the fact that such scenario is excluded in its simplest realizations, we will discuss the possibility that the relic density of a self-interacting dark matter candidate can proceed from the freeze-out of only annihilations into SM particles. We will argue that scalar and Majorana dark matter in the mass range of 10 to 500 MeV, coupled to a slightly heavier massive gauge boson, are the only candidates in agreement with multiple current experimental constraints. We will also discuss prospects of establishing or excluding these two scenarios in future experiments.

研究の動機と目的

• ΛCDMの枠組み内での小スケール天体物理学的構造におけるコア・カスプ問題とToo-Big-To-Fail問題に対処すること。
• SIDMに必要な大規模な自己相互作用断面積と、きびしい宇宙論的・加速器実験的制約との間の矛盾を解消すること。
• 標準的凍結過程とは異なる、ダークマター（DM）がSM粒子に消失することでのみ再結合密度が生じるような、実現可能なダークマター生成メカニズムを探索すること。
• 現在の実験的制限と将来の実験でテスト可能な、最小限で予測可能な自己相互作用型ダークマターのモデルを特定すること。

提案手法

• 10–500 MeVの範囲のスカラーまたはメジャナナ粒子としてダークマターをモデル化し、運動エネルギー混合を通じてより重いマスサーのゲージボソン（Z′）と結合する。
• p波抑制型の消失（DM + DM → Z′ → SMフェルミオン）を用い、再結合密度を凍結過程によって設定することで、大きなs波消失率を回避する。
• Z′交換および四次相互作用を通じて自己相互作用断面積を計算し、銀河スケールのハローにおいてσ/m_DM ~ 1 cm²/gを達成する。
• 次元解析を用いてダークマター質量および媒介粒子の性質を制約し、単一のダークマター状態と、ダークマターよりわずかに重いZ′を好む。
• CMB、直接検出（電子散乱）、ダークフォトン探索からの制約を統合し、非現実的なパラメータ空間を除外する。
• 運動エネルギー混合を用いて、SM粒子へのダークマター消失率を抑制しつつ、大規模な自己相互作用断面積を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な断面積（σ/m_DM ~ 1 cm²/g）を持つ自己相互作用型ダークマターが、宇宙論的または天体物理学的制約に反しない形で実現可能か？
• RQ2 SM粒子へのダークマター消失の凍結過程によって、正しい再結合密度を達成しつつ、大規模な自己相互作用を維持することは可能か？
• RQ3 再結合密度、自己相互作用、間接検出制約を同時に満たす最小限のモデル構造は何か？
• RQ4 p波抑制と運動エネルギー混合は、消失断面積と自己相互作用断面積の間の大きな隔たりをどのように可能にするか？
• RQ5 将来のどの実験が、MeVスケールのスカラーまたはメジャナナダークマターを有する提案されたSIDMシナリオをテストまたは除外できるか？

主な発見

• 10–500 MeVのスカラーおよびメジャナナダークマターが、わずかに重いZ′ボソンと結合する場合にのみ、現在の実験的制限と整合する唯一の候補である。
• 運動エネルギー混合されたZ′ボソンを通じたp波抑制型のSMフェルミオンへの消失が、CMBや間接検出制限に反しないまま、観測された再結合密度を的確に生成する。
• 自己相互作用断面積はσ/m_DM ~ 1 cm²/gに達し、矮星銀河におけるコア・カスプ問題およびToo-Big-To-Fail問題の解決に十分である。
• 半導体における電子散乱に感度を持つ直接検出実験が、スカラーDMシナリオを実際に除外する可能性がある。
• メジャナナDMモデルでは、Z′質量を安定化させるためにほぼ縮退したダークスカラーが必要であり、複雑さを増すが、テスト可能性を保つ。
• 将来のダークフォトン探索およびCMB観測は、提案されたシナリオをテストまたは除外する強力な可能性を有する。