[論文レビュー] Thermal transport of the solar captured dark matter and its impact on the indirect dark matter search

Chian-Shu Chen, Guey-Lin Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、太陽に捕獲された自己相互作用的ダークマター（SIDM）における熱エネルギー輸送を調査し、DM-核子散乱が弱い場合にDM温度が太陽の核温度を上回ることを示している。主な結果として、正しいDM温度（太陽核温度よりも高い）を用いることで、特定の状況下で間接検出信号が最大3.5倍に増幅され、太陽と熱平衡にあるという標準的な仮定を超えて、対消滅率の予測が著しく改善されることを示している。

ABSTRACT

We study the thermal transport occurring in the system of solar captured dark matter (DM) and explore its impact on the DM indirect search signal. We particularly focus on the scenario of self-interacting DM (SIDM). The flows of energies in and out of the system are caused by solar captures via DM-nucleon and DM-DM scatterings, the energy dissipation via DM annihilation, and the heat exchange between DM and solar nuclei. We examine the DM temperature evolution and demonstrate that the DM temperature can be higher than the core temperature of the Sun if the DM-nucleon cross section is sufficiently small such that the energy flow due to DM self-interaction becomes relatively important. We argue that the correct DM temperature should be used for accurately predicting the DM annihilation rate, which is relevant to the DM indirect detection.

研究の動機と目的

• 太陽に捕獲されたダークマター（DM）の温度に熱エネルギー輸送が与える影響、特に自己相互作用的ダークマター（SIDM）の状況における影響を調査すること。
• DM-核子散乱が抑制され、DM自己相互作用が強化されることで、DM温度が太陽核温度からずれるかどうかを特定すること。
• 正確なDM温度が、特に対消滅信号を含む間接的ダークマター検出率に与える影響を評価すること。
• 捕獲、自己相互作用、および核との熱交換を考慮した、捕獲されたDMの熱輸送方程式を導出し、解くこと。

提案手法

• 著者らは、DM数密度と運動エネルギーの連立微分方程式を用いて、DMの時間的変化をモデル化し、捕獲、自己相互作用、対消滅率を組み込んだ。
• DM-核子散乱、DM自己相互作用、核との熱交換、対消滅に対応する熱輸送係数 $ J_c, J_s, J_χ, J_a $ を導出した。
• 自己相互作用が支配的である条件 $ C_s^2 \gg 4C_cC_a $ の下で、エネルギー変化方程式を簡略化した。
• DM温度 $ T_\chi $ は $ \frac{dE_\chi}{dt} \approx J_\chi + J_s - C_s E_\chi $ を解くことで計算され、$ J_\chi \propto (T_\chi - T_c)/m_\chi $ であるため、重いDMでは $ T_\chi $ が $ T_c $ を上回ることが示された。
• 初期条件の妥当性を検証するために、$ \sigma_{\chi p} $, $ \sigma_{\chi\chi} $, および $ m_\chi $ を変化させた数値解法を実施した。
• 対消滅率 $ \Gamma_A \propto C_a N_\chi^2 $ は、$ T_\chi = T_c $ と $ T_\chi > T_c $ の場合で比較され、$ T_\chi $ が正しくモデル化された場合に信号増幅が生じることが明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己相互作用的ダークマターが太陽に捕獲された場合、DM-核子散乱が抑制されることで、その温度が太陽核温度を超える可能性があるか？
• RQ2 DM自己相互作用は、捕獲されたDMと太陽核との間の熱的平衡にどのように影響を与えるか？
• RQ3 真のDM温度を用いることで、太陽内でのDM対消滅からの間接検出信号にどのような影響が生じるか？
• RQ4 対消滅率の増幅は、DM質量および自己相互作用断面積に依存するか？
• RQ5 初期熱化 timescale の不確実性に対して、最終的なDM温度はどれほど頑健か？

主な発見

• DM温度 $ T_\chi $ は太陽核温度 $ T_c $ を超えることができ、$ \sigma_{\chi\chi} = 10^{-23}~{\rm cm^2} $ および $ m_\chi = 50~{\rm GeV} $ の場合に $ T_\chi / T_c \sim 3.5 $ に達する。これは $ \sigma_{\chi p} $ が小さい場合に成立する。
• $ \sigma_{\chi p} = 10^{-47}~{\rm cm^2} $ の場合、DM温度は $ T_\chi \sim 3.5 T_c $ に達し、$ T_\chi = T_c $ を仮定した場合と比較して、対消滅率が顕著に増加する。
• DM温度 $ T_\chi > T_c $ の場合、$ \Gamma_A $ は増幅される。これは、$ T_\chi $ が高くなると $ N_\chi $ の増加が $ C_a \propto T_\chi^{-3/2} $ の抑制を上回るためである。
• $ \sigma_{\chi\chi} = 10^{-24}~{\rm cm^2} $ の場合、$ N_\chi $ は線形に増加を続け、$ \Gamma_A(T_\chi) < \Gamma_A(T_c) $ となるため、特定のパrameter選択では信号が抑制される。
• 最終的なDM温度 $ T_\chi(t_\odot) $ は初期条件に依存せず、$ \sigma_{\chi\chi} $, $ \sigma_{\chi p} $, および $ m_\chi $ によって決定される安定な固定点に収束するため、結果の頑健性が確認された。
• 熱的平衡に達するまでの時間スケール $ \tau^{\rm eq}_\chi $ は、最終的な $ T_\chi $ に影響しない。システムが定常状態に達していれば、モデルの整合性が保証される。