[논문 리뷰] Insights on Dark Matter from Hydrogen during Cosmic Dawn

Julián B. Muñoz, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 47인용 수 131

한 줄 요약

본 논문은 소수 수준의 암흑물질이 작은 전하의 미전하를 가지고 우주 새벽 동안 바리온을 냉각시켜 EDGES 21-cm 흡수 신호를 설명할 수 있는지 탐구하고, 다른 관측들로부터의 제약을 구분해 제시한다.

ABSTRACT

The origin and composition of the cosmological dark matter remain a mystery. However, upcoming 21-cm measurements during cosmic dawn, the period of the first stellar formation, can provide new clues on the nature of dark matter. During this era, the baryon-dark matter fluid is the slowest it will ever be, making it ideal to search for dark matter elastically scattering with baryons through massless mediators, such as the photon. Here we explore whether dark-matter particles with an electric "minicharge" can significantly alter the baryonic temperature and, thus, affect 21-cm observations. We find that the entirety of the dark matter cannot be minicharged at a significant level, lest it interferes with Galactic and extragalactic magnetic fields. However, if minicharged particles comprise a subpercent fraction of the dark matter, and have charges $ε\sim 10^{-6}$---in units of the electron charge---and masses $m_χ\sim 1-60$ MeV, they can significantly cool down the baryonic fluid, and be discovered in 21-cm experiments. We show how this scenario can explain the recent result by the EDGES collaboration, which requires a lower baryonic temperature than possible within the standard model, while remaining consistent with all current observations.

연구 동기 및 목표

• 코스믹-던 21-cm 신호를 이용해 비중력적 DM-바리온 간 상호작용의 탐색에 동기를 부여한다.
• 미전하를 가진 DM의 부분집합이 바리온 온도와 21-cm 관측치에 미치는 영향을 정량화한다.
• EDGES 및 기존 제약과 호환되는 매개변수 영역(질량, 전하, 부분적 풍부도)을 식별한다.
• 동반하는 21-cm 변동과 다가오는 실험에 의한 탐지 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 질량 없는 매개체를 통한 DM-바리온 탄성 산란을 모델링하여 운동량 전달 단면적 8pt ̄_t = 2 \u0010 \u0014 \u0002 \\
• (Equation 1) to describe DM-baryon interactions with Debye logarithm \u000b \u0010 8b(r_t) (Equation 4).
• T_b, T_{\u0000 chi}, and v_{\u0000 chi,b} (Equations 7a–7d).
• T^{21} (Equation 17) and its sky-averaged value (Equation 18).
• (SN1987A, SLAC millicharge, BBN, N_eff) and relic-abundance considerations (Equations 12–16, Fig. 1).
• Explore how a subpercent f_{dm} with \u0003b epsilon 0erences derived cooling region in the m_{\fhi}-\u0016 plane and discuss potential 21-cm fluctuations (Figure 2).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소수(percent 수준의) 암흑물질이 작은 전자기 미전하를 가진 경우, 우주 새벽 동안 바리온 가스를 크게 냉각시킬 수 있는가?
• RQ2 미전하 ε와 DM 질량 m_{\u0000 chi}의 어떤 영역이 외부 제약을 위반하지 않으면서 충분한 냉각을 가능하게 하는가?
• RQ3 DM-바리온 상호작용이 EDGES 시기의 21-cm 밝기 온도 및 그 변동에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 필요한 미전하 DM 시나리오가 잔류 존재양 및 기타 천체/우주론적 경계와 호환되는가?

주요 결과

• 소수 수준의 f_{dm} e 10^{-2} 의 미전하 DM가 전하
  10^{-6} 및 질량 m_{\u0000 chi}  10 MeV인 경우 바리온 유체를 뚜렷이 냉각시킬 수 있다.
• 바리온 냉각을 달성하기 위해 필요한 미전하는 대략 m_{\u0000 chi} < 6 GeV일 때 f_{dm}에 대해 1)  m_{\u0000 chi}로 비례하는 경향이 있으며, 논문은 경험적 관계 \u0005b ьractional result \u00006 \epsilon(m_{\u0000 chi}, f_{dm}) \u00017 6 \u0007 10^{-7} (m_{\u0000 chi}/MeV) (f_{dm}/10^{-2})^{-3/4} 를 제공한다.
• EDGES 결과는 z = 17에서 T_b  4 K를 요구하지만, 명시된 영역에서 미전하 DM이 존재하면 표준 우주론과의 조합이 가능하고 다른 제약과의 일치성도 유지된다.
• 미전하 DM은 모든 DM을 구성하지는 않으나, 소량의 분량으로도 T^{21}에 영향과 전체 하늘 평균 신호의 약 1% 수준의 추가 21-cm 변동을 유도할 수 있어, HERA나 SKA로 탐지가 가능할 수 있다.
• SN1987A, BBN, CMB N_eff, 잔류 존재양(relic abundance) 제약은 일반적으로 f_{dm}=1인 매개변수 공간의 큰 영역을 배제하지만, f_{dm} e 10^{-2} 이고 (m_{\u0000 chi}/{ m MeV})^{0.3} 스케일링을 가지는 영역은 viable하게 남아 있다.
• 미전하 구성요소가 가스를 두 배로 냉각시키는 경우 21-cm 신호는 표준 모델 예측에 비해 더 깊어질 수 있으며, 명시된 매개변수 창 내에서 현재 관측과 일치한다.