[論文レビュー] WIMP matter power spectra and small scale power generation

Céline Bœhm, H. Mathis+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2003

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、非無視可能な自己相互作用を持つ弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）を調査しており、これにより衝突による減衰が生じ、約10³ M⊙スケールで線形物質パワー スペクトルが減衰する。この減衰にもかかわらず、数値的シミュレーションの結果、低赤方偏移（z ≤ 1）における非線形物質パワー スペクトルは、小スケールパワーの再生によって標準的冷たい暗黒物質（CDM）と区別できなくなる。これは、レンズ効果測定のみでは、こうした衝突的WIMPsと従来のCDM候補を信頼性高く区別できないことを示唆する。

ABSTRACT

Dark Matter (DM) is generally assumed to be massive, cold and collisionless from the structure formation point of view. A more correct statement however is that DM indeed experiences collisional damping, but on a scale which is supposed to be too small to be relevant for structure formation. The aim of this paper is to present a Cold (although ``collisional'') Dark Matter particle whose matter power spectrum is damped and see whether it is distinguishable from standard candidates. To achieve this purpose, we calculate the collisional damping and free-streaming scales of neutralinos and non conventional candidates (say light particles heavier than ~1 MeV but lighter than O(10) GeV). The latter can be considered as Cold Dark Matter (CDM) particles in the sense that they become non relativistic before their thermal decoupling epoch. Unlike neutralinos, however, their linear matter power spectrum can be damped on scales of ~ 10^3 Msol due to their interactions. Since these scales are of cosmological interest for structure formation, we perform a series of numerical simulations to obtain the corresponding non linear matter power spectra P(k)_{nl} at the present epoch. We show that because of small scale regeneration, they all resemble each other at low redshifts, i.e. become very similar to a typical CDM matter power spectrum on all but the smallest scales. Therefore, even if lensing measurements at redshift below unity were to yield a P(k)_{nl} consistent with CDM models, this would not constitute a sufficiently robust evidence in favour of the neutralino to rule out alternative DM candidates.

研究の動機と目的

• 質量が1 MeV以上10 GeV未塔の軽いWIMPに類似した暗黒物質候補に対して、自己相互作用が物質パワー スペクトルに与える影響を評価すること。
• こうした衝突的WIMPsが、非線形物質パワー スペクトルによって標準的冷たい暗黒物質（CDM）と区別可能かどうかを特定すること。
• 低赤方偏移における非CDMパワー スペクトルがCDMに類似するようになる小スケールパワーの再生の役割を調査すること。
• 減衰した線形パワー スペクトルを持つ代替の暗黒物質候補を制限するためのレンズ効果測定の頑健性を評価すること。

提案手法

• 中性子のようないわゆる標準的（例：中性ヒッグス粒子）および非標準的軽いWIMP候補（1 MeV – 10 GeV）について、正確な残存密度を達成するための消失反応を経由するものとして、衝突による減衰および自由流れスケールを計算する。
• z = 0およびz = 10における非線形物質パワー スペクトルP(k)nlを計算するために、数値的N体シミュレーションを実施する。シミュレーションのカットオフスケールは10⁶、10⁷、10⁸、および10⁹ h⁻¹ M⊙とする。
• 標準的CDMおよびさまざまな質量を持つ温かい暗黒物質（WDM）モデルを含む、さまざまな暗黒物質モデル間で得られたP(k)nlスペクトルを比較する。
• z = 0およびz = 10におけるハロー質量関数を分析し、モデル間の構造形成の効率の違いを定量化する。
• P(k)nlの時間的変化を用いて、弱いレンズ効果測定が暗黒物質モデルを区別する有効性を評価する。
• シミュレーションの動的範囲および赤方偏移に依存する結果の感度を評価し、100 kpc/h未満のスケールに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非無視可能な自己相互作用を持つWIMP候補は、宇宙論的に関連するスケール（約10³ M⊙）で減衰した線形物質パワー スペクトルを生成できるか？
• RQ2 小スケールパワーの再生は、低赤方偏移における非線形物質パワー スペクトルに初期の減衰の痕跡をどの程度消去するか？
• RQ3 z < 1における弱いレンズ効果測定は、標準的CDMと減衰した線形スペクトルを持つ衝突的WIMPモデルを区別できるか？
• RQ4 z = 10（高赤方偏移）およびz = 0（低赤方偏移）における、CDMとさまざまなカットオフスケールを持つ軽量WIMPモデルのハロー質量関数はどのように異なるか？
• RQ5 P(k)nlよりも、ハローの構造的パラメータまたは再電離歴史の方が、代替の暗黒物質候補の区別に効果的であるか？

主な発見

• カットオフが約10³ M⊙の衝突的WIMPモデルの非線形物質パワー スペクトルP(k)nlは、赤方偏移z ≤ 1で標準的CDMと区別できなくなる。これは小スケールパワーの再生によるものである。
• 10⁹ h⁻¹ M⊙のカットオフでさえも、z < 1におけるシミュレートされたP(k)nlがCDMスペクトルと非常に近くなるため、レンズ調査による区別の能力が制限される。
• z = 10において、0.6 keV WDMモデルではCDMと比較してハローの数が約40倍も不足しており、構造形成の初期抑制を示している。
• z = 10における0.6 keV WDMモデルのハロー質量関数は、低質量（M < 10⁸.⁵ h⁻¹ M⊙）で顕著に抑制されているが、高質量領域では回復する。
• レンズ測定が70 h⁻¹ kpc未満のスケールをプローブすれば、10⁹ h⁻¹ M⊙のカットオフの臨界領域を探索可能になるが、現在の200 h⁻¹ kpcのスケールでは、こうしたモデルを区別するには不十分である。
• ハローの構造的パラメータや再電離歴史といった他のシグナルは、区別の可能性を高めるが、バリオン物理学の不確実性により弱体化する。