[논문 리뷰] Constraints on dark matter-neutrino scattering from the Milky-Way satellites and subhalo modeling for dark acoustic oscillations

Kensuke Akita, Shin’ichiro Ando|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 118인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 은하수 은하계의 위성 천체 관측과 태양계의 압축된 압력-셰스처 형식에 기반한 반분석적 하위구름 모델을 사용하여 암흑물질-중성자기반 산란을 제약한다. 이는 현재까지 가장 날카로운 경계를 암흑물질-중성자기반 산란 단면적에 도출하며, 일정한 단면적의 경우 95% 신뢰수준 상한선가 $\sigma_{\text{DM--}\nu,0} < 4 \times 10^{-34}\ \text{cm}^2\ (m_{\text{DM}}/\text{GeV})$이며, 에너지 의존성 형태의 경우 더 강력한 제약을 제공한다. 이는 중성자기반 상호작용을 갖는 암흑물질 모델의 타당성을 크게 제한한다.

ABSTRACT

The elastic scattering between dark matter (DM) and radiation can potentially explain small-scale observations that the cold dark matter faces as a challenge, as damping density fluctuations via dark acoustic oscillations in the early universe erases small-scale structure. We study a semi-analytical subhalo model for interacting dark matter with radiation, based on the extended Press-Schechter formalism and subhalos' tidal evolution prescription. We also test the elastic scattering between DM and neutrinos using observations of Milky-Way satellites from the Dark Energy Survey and PanSTARRS1. We conservatively impose strong constraints on the DM-neutrino scattering cross section of $σ_{{ m DM} ext{-}ν,n}\propto E_ν^n$ $(n=0,2,4)$ at $95\%$ confidence level (CL), $σ_{{ m DM} ext{-}ν,0}&lt; 10^{-32}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})$, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,2}&lt; 10^{-43}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^2$ and $σ_{{ m DM} ext{-}ν,4}&lt; 10^{-54}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^4$, where $E_ν$ is the neutrino energy and $E_ν^0$ is the average momentum of relic cosmic neutrinos today, $E_ν^0 \simeq 6.1\ { m K}$. By imposing a satellite forming condition, we obtain the strongest upper bounds on the DM-neutrino cross section at $95\%$ CL, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,0}&lt; 4 imes 10^{-34}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})$, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,2}&lt; 10^{-46}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^2$ and $σ_{{ m DM} ext{-}ν,4}&lt; 7 imes 10^{-59}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^4$.

연구 동기 및 목표

• 냉각 암흑물질 모델의 소규모 스케일 문제, 예를 들어 위성 천체 부족 문제 및 코어-쿠프 문제를 해결하기 위해 암흑물질-복사 상호작용을 탐색한다.
• 초기 우주에서 어두운 음파 진동을 통해 소규모 구조를 억제하는 메커니즘으로서 암흑물질-중성자기반 산란의 타당성을 시험한다.
• 최신 은하수 위성 데이터(DES 및 PanSTARRS1)를 활용하여 암흑물질-중성자기반 산란 단면적에 대한 관측 제약을 유도한다.
• 상호작용하는 암흑물질 시나리오를 고려한 타구형 손실 및 수정된 임계 과밀도를 포함한 반분석적 하위구름 모델을 개발하고 적용한다.
• 이론적 하위구름 예측을 관측된 위성 수와 비교하여 산란 단면적에 대한 보수적인 상한선을 설정한다.

제안 방법

• 암흑물질-복사 상호작용, 특히 암흑물질-중성자기반 산란을 고려하기 위해 확장된 프레스-셰스처 형식에 창문 함수와 임계 과밀도를 수정하여 적용한다.
• 주 구름 내에서 질량 손실 및 구조적 진화를 반분석적으로 기술하는 방법을 사용하여 하위구름의 tidal stripping 효과를 통합한다.
• SASHIMI 코드의 수정된 버전을 사용하여 최대 원형 속도 및 위르발 질량에 따른 누적 하위구름 수를 계산한다.
• DES 및 PanSTARRS1에서 확보한 은하수 위성 천체 270개의 관측 완전성 보정 데이터를 활용하여 하위구름 밀도를 제약한다.
• 가장 보수적인 산란 단면적 상한선을 도출하기 위해 위성 형성 조건을 도입한다.
• 에너지 의존성 단면적을 $E_\nu^n$ 비례로 고려하며, $n=0,2,4$에 대해 평균 잔류 중성자 에너지 $E_\nu^0 \simeq 6.1\ \text{K}$에 상대적으로 정규화한다.

Figure 1: The linear matter power spectra for CDM, the DM-neutrino interaction scenario with $u_{\rm DM-\nu,0}^{0}=10^{-7}$ , $u_{\rm DM-\nu,2}^{0}=10^{-20}$ and $u_{\rm DM-\nu,4}^{0}=10^{-33}$ , which are defined in eqs. ( 5 ) and ( 6 ).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암흑물질과 중성자기반 간의 탄성 산란 단면적에 대한 가장 강력한 관측 제약는 무엇인가?
• RQ2 암흑물질-중성자기반 산란은 초기 우주에서 어두운 음파 진동을 통해 소규모 구조를 어떻게 억제하는가?
• RQ3 관측된 은하수 위성 수는 상호작용하는 암흑물질 모델의 매개변수 공간을 어느 정도 제한하는가?
• RQ4 부드러운-k 필터의 다양한 매개변수 설정이 모델에서 하위구름 밀도 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유도된 제약 조건은 다른 천체물리적 중성자기반 원천이나 이전 문헌의 결과와 비교하여 어떻게 다를까?

주요 결과

• 이 연구는 현재까지 가장 날카로운 95% 신뢰수준 상한선을 암흑물질-중성자기반 산란 단면적에 도출하며, 일정한 단면적의 경우 $\sigma_{\text{DM--}\nu,0} < 4 \times 10^{-34}\ \text{cm}^2\ (m_{\text{DM}}/\text{GeV})$이다.
• 에너지 의존성 단면적의 경우 제약 조건은 $\sigma_{\text{DM--}\nu,2} < 10^{-46}\ \text{cm}^2\ (m_{\text{DM}}/\text{GeV})(E_\nu/E_\nu^0)^2$ 및 $\sigma_{\text{DM--}\nu,4} < 7 \times 10^{-59}\ \text{cm}^2\ (m_{\text{DM}}/\text{GeV})(E_\nu/E_\nu^0)^4$이다.
• 모델의 하위구름 밀도 예측은 다양한 부드러운-k 필터 매개변수에 대해 강건하며, 다양한 암흑물질-복사 상호작용 시나리오에 널리 적용 가능함을 시사한다.
• 위성 형성 조건을 포함한 결과는 표준 완전성 기반 방법보다 상당히 강력한 제약 조건을 제공하며, 감도를 최대 두 개의 지수 단위 향상시킨다.
• 모델의 결과는 $m_{\text{DM}} \gtrsim \text{MeV}$일 때 $\delta_{c,\text{IDM}} \simeq \delta_{c,\text{CDM}}$라는 가정과 일치하며, 계산을 단순화하면서도 최종 제약 조건에 영향을 주지 않는다.
• 유도된 제약 조건은 다른 천체물리적 중성자기반 원천의 결과와 경쟁 가능하거나 더 강력하며, 은하수 위성 데이터가 암흑물질 상호작용을 탐색하는 데 있어 강력한 도구임을 강조한다.

Figure 2: Cumulative number of subhalos as a function of the maximum circular velocity with the host halo mass of $M_{200}=1.6\times 10^{12}M_{\odot}$ for DM-DR interaction scenarios (ETHOS1-ETHOS3 models described in ref. [ 70 ] ). Solid lines denote our results and dashed lines denote the results