[論文レビュー] The Dark Side of MSW: Solar Neutrinos as a Probe of Dark Matter-Neutrino Interactions

Francesco Capozzi, Ian M. Shoemaker+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ダークマター（DM）に結合する不活性ニュートリノが、太陽における有効なDM-ニュートリノ相互作用を引き起こし、『ダークMSW効果』を生じさせることを提案している。この効果により、高エネルギーの$^8$BおよびCNOニュートリノのフラックスが変化する。太陽ニュートリノ実験は、他のプローブが失敗する領域——特に軽い媒介粒子と小さな結合定数の領域——において、パラメータ空間の顕著な割合を探索可能である。

ABSTRACT

Sterile neutrinos at the eV scale have long been studied in the context of anomalies in short baseline neutrino experiments. Their cosmology can be made compatible with our understanding of the early Universe provided the sterile neutrino sector enjoys a nontrivial dynamics with exotic interactions, possibly providing a link to the Dark Matter (DM) puzzle. Interactions between DM and neutrinos have also been proposed to address the long-standing missing satellites problem in the field of large scale structure formation. Motivated by these considerations, in this paper we discuss realistic scenarios with light steriles coupled to DM. We point out that within this framework active neutrinos acquire an effective coupling to DM that manifests itself as a new matter potential in the propagation within a medium of asymmetric DM. Assuming that at least a small fraction of DM has been captured by the Sun, we show that a sizable fraction of the parameter space of these scenarios can be probed by solar neutrino experiments, especially in the regime of small couplings and light mediators where all other probes become inefficient. In the latter regime these scenarios behave as familiar $3+1$ models in all channels except for solar data, where a Dark MSW effect takes place. Solar Dark MSW is characterized by sizable modifications of the most energetic $^8$B and CNO neutrinos, whereas the other fluxes remain largely unaffected.

研究の動機と目的

• 不活性ニュートリノがダークマター（DM）に結合することで有効なDM-ニュートリノ相互作用を生成する現実的な状況を調査すること。
• DM-ニュートリノ相互作用を通じて大規模構造形成における『小衛星の欠落問題』を解決すること。
• 従来の手法が失敗するDM-ニュートリノ結合状態を、太陽ニュートリノ実験がどのように探査できるかを調査すること。
• 非対称なDM捕獲によって太陽内でダークMSW効果が発生する条件を特定すること。
• eVスケールの質量範囲における軽い不活性ニュートリノおよびDM相互作用に対して、太陽ニュートリノデータの感度を特定すること。

提案手法

• DMおよび特異な相互作用を含む非自明なダイナミクスを持つ3+1不活性ニュートリノモデルを構築すること。
• DMの非対称な媒体中におけるアクティブニュートリノの有効物質ポテンシャルを導出すること。
• 太陽を非対称なDM捕獲源としてモデル化し、ニュートリノ伝搬に向けた非自明な背景ポテンシャルを生じさせること。
• 有効物質ポテンシャルを用いて太陽内でのニュートリノ振動確率を計算し、特に$^8$BおよびCNOニュートリノに注目すること。
• 予測されたニュートリノフラックスの変化を、太陽ニュートリノデータと比較し、特に小さな結合定数および軽い媒介粒子の領域で検証すること。
• 太陽ニュートリノ実験の感度を、モデルのパラメータ空間について評価し、他のプローブと対比すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽ニュートリノ実験は、ダークMSW効果を通じてDM-ニュートリノ相互作用のシグナルを検出可能か？
• RQ2 特に軽い媒介粒子および小さな結合定数の領域で、ダークMSW効果が支配的かつ観測可能になるパラメータ領域は何か？
• RQ3 太陽内の非対称なDM捕獲によって生じる有効物質ポテンシャルにより、$^8$BおよびCNOニュートリノフラックスはどのように変化するか？
• RQ4 なぜ他の実験的プローブは、太陽ニュートリノ実験が感度を保つパラメータ領域を制約できないのか？
• RQ5 これらの状況は、初期宇宙における不活性ニュートリノの宇宙論と『小衛星の欠落問題』をどのように調和させるか？

主な発見

• DMに結合する軽い不活性ニュートリノのパラメータ空間の顕著な割合は、太陽ニュートリノ実験によって探査可能であり、特に小さな結合定数および軽い媒介粒子の領域で顕著である。
• ダークMSW効果は、高エネルギーの$^8$BおよびCNOニュートリノのフラックスに顕著な変化を引き起こすが、他のニュートリノフラックスにはほとんど影響しない。
• 小さな結合定数および軽い媒介粒子の領域では、モデルは太陽ニュートリノデータを除くすべてのチャネルで標準的な$3+1$ニュートリノモデルと同様に振る舞う。
• アクティブニュートリノの有効物質ポテンシャルは、太陽による非対称なDM捕獲に起因し、ニュートリノフレーバー変換の新しいメカニズムを可能にする。
• 太陽ニュートリノ実験は、他のプローブ——特に短基準長距離振動実験——が非効率になる領域において、DM-ニュートリノ相互作用に対して独自の感度を示す。
• このフレームワークは、初期宇宙における不活性ニュートリノの宇宙論と、DM-ニュートリノ相互作用を通じた『小衛星の欠落問題』の解決を両立させる有効な道筋を提供する。