[論文レビュー] Spectral and Spatial Distortions of PeV Neutrinos from Scattering with Dark Matter

Jonathan H. Davis, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|May 7, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、銀河間のダークマター（DM）散乱が、銀河外源からのペブロンビュートロンニュートリノのスペクトルおよび空間分布に与える影響を調査し、DM散乱が高エネルギーニュートリノを遅延させ、DM-ニュートリノ散乱断面積に上限を課すことを示している。その上限は、σ ≲ 10⁻¹⁷·(m/GeV)·(E/PeV)² cm² である。興味深いことに、銀河系内では、DM散乱が銀河中心方向へのニュートリノの約15%のクラスタリングを引き起こし、これはアイスカイブの観測された約2σの過剰を説明する自然なメカニズムを提供するが、銀河系内源を仮定する必要はない。

ABSTRACT

We study the effects on the spectrum and distribution of high-energy neutrinos due to scattering with dark matter both outside and within our galaxy, focusing on the neutrinos observed by the IceCube experiment with energies up to several PeV. If these neutrinos originate from extra-galactic astrophysical sources, then scattering in transit with dark matter particles will delay their arrival to Earth. This results in a cut-off in their spectrum at an energy set by the scattering cross section, allowing us to place an upper limit on cross sections $\\sigma$ which increase with energy E at the level of $\\sigma$ < 10^{-17} x (m / GeV) x (E / PeV)^2 cm^2, for dark matter particles of mass m. Once these neutrinos enter our galaxy, the large dark matter densities result in further scattering, especially towards the Galactic Centre. Intriguingly, we find that for $\\sigma$ ~ 10^{-22} x (m / GeV) x (E / PeV)^2 cm^2, the distribution of the neutrinos on the sky has a small cluster of events towards the centre of the galaxy, potentially explaining the ~2 sigma excess seen by IceCube in this region without needing a galactic source.

研究の動機と目的

• アイスカイブ実験で観測されたペブロンビュートロンニュートリノスペクトルを用いて、ダークマター-ニュートリノ散乱断面積を制約すること。
• 銀河系のダークマターホール内での散乱が、特に銀河中心方向への約2σの過剰を示す高エネルギーニュートリノイベントの空間非一様性を説明できるかを調査すること。
• CMB、大規模構造、超新星からの既存の低エネルギー制約と補完的なエネルギー依存性を持つ断面積制限を導出すること。
• アイスカイブ観測と整合するペブロンビュートロンエネルギー領域におけるDM-ニュートリノ相互作用断面積がE²に比例する現象的意味を検討すること。

提案手法

• 散乱が有効なパス長を延ばし、到着を遅らせるため、拡散近似を用いて宇宙間物質（IGM）中を通過するニュートリノの伝播をモデル化する。
• ρ_DM = ρ₀(1+z)³ を用いて、λ_DM-ν = m / (ρ_DM σ) の平均自由行程を計算し、散乱が観測スペクトルに与える影響を評価する。
• アイスカイブデータにおいて2 PeV未満でスペクトルカットオフが観測されないことに基づき、E ≲ 2 PeVにおけるDM-ニュートリノ断面積の上限を設定する。
• ナバロ＝フレンク＝ホワイト（NFW）密度プロファイルを用いて、銀河系のダークマターホール内でのニュートリノ経路をシミュレートし、散乱に起因する非一様性を計算する。
• 特にコア付近の高密度領域で散乱が強化されることにより、銀河中心方向へのニュートリノの角度クラスタリングを計算する。
• 予測されたニュートリノイベントのクラスタリングを、アイスカイブが観測した銀河中心方向への約15%の過剰と比較し、必要な断面積を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカイブのペブロンビュートロンニュートリノデータにおいてスペクトルカットオフが観測されないことに基づき、DM-ニュートリノ散乱断面積にどの程度の上限を設定できるか？
• RQ2 銀河系のダークマターホール内での銀河外ペブロンビュートロンニュートリノの散乱が、銀河中心方向への約2σの過剰を自然に説明できるか？
• RQ3 観測スペクトルおよび空間非一様性と両立する断面積のエネルギー依存性（特にE²比例）は何か？
• RQ4 予測されたクラスタリングパターンは、銀河系内源やDM自己消失による代替モデルと比較してどのように異なるか？

主な発見

• スペクトルカットオフが観測されないことに基づき、E ≲ 2 PeVにおけるDM-ニュートリノ散乱断面積の上限が σ ≲ 10⁻¹⁷·(m/GeV)·(E/PeV)² cm² として設定された。
• 断面積が σ ≈ 10⁻²²·(m/GeV) cm² に近い場合、モデルは高エネルギーニュートリノイベントが銀河中心方向に約15%クラスタリングすることを予測し、アイスカイブの観測過剰と一致する。
• 予測された空間非一様性は、銀河系ホール内での散乱に起因するだけであり、局所的天体物理的源を仮定する必要がない。これは過剰の新たな説明を提供する。
• CMBおよび超新星からの低エネルギー制約と整合的であり、特にペブロンビュートロンエネルギー領域で断面積がE²に比例する場合に顕著である。
• 将来の実験、例えばKM3NeTやAntaresは、銀河中心方向への約15%の過剰を確認でき、本モデルを代替モデルと区別できる。
• 同様の散乱効果により、M87や近隣の矮星銀河系など、他の質量の大きな銀河に対しても微小な非一様性が予測される。