[논문 리뷰] The Dark Side of MSW: Solar Neutrinos as a Probe of Dark Matter-Neutrino Interactions

Francesco Capozzi, Ian M. Shoemaker외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 어두운 물질(DM)과 결합된 무색 중성미자들이 효과적인 DM-중성미자 상호작용을 유도하며, 태양에서 '어둠의 MSW' 효과를 일으켜 고에너지 $^8$B 및 CNO 중성미자 플럭스를 수정함을 제안한다. 태양 중성미자 실험은 다른 탐지 수단이 실패하는 바깥 영역—특히 가벼운 매개입자와 작은 결합 상수를 가진 영역—에서 상당 부분의 매개변수 공간을 탐지할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 무색 중성미자가 어두운 물질(DM)과 결합할 때 효과적인 DM-중성미자 상호작용을 유도하는 현실적인 시나리오를 탐색하기.
• 어두운 물질-중성미자 상호작용을 통해 대규모 구조 형성에서의 '소수의 위성' 문제를 해결하기.
• 기존 방법이 실패하는 DM-중성미자 결합 시나리오를 태양 중성미자 실험으로 탐지할 수 있는지 조사하기.
• 비대칭 어두운 물질의 태양에서의 포착으로 인해 태양에서 어둠의 MSW 효과가 나타나는 조건을 규명하기.
• eV 스케일 질량 범위 내에서 경량 무색 중성미자와 어두운 물질 상호작용에 대한 태양 중성미자 데이터의 민감도를 결정하기.

제안 방법

• 어두운 물질과 이국적 상호작용을 포함하는 비자명한 역학을 갖는 3+1 무색 중성미자 모델을 수립하기.
• 비대칭 어두운 물질의 매질에서 활성 중성미자의 효과적인 매질 포텐셜을 도출하기. 이는 어두운 물질-중성미자 결합으로 인해 발생한다.
• 태양을 비대칭 어두운 물질 포착의 원천으로 모델링하여, 중성미자 전파에 대한 비자명한 배경 포텐셜을 유도하기.
• 효과적인 매질 포텐셜을 사용해 태양 내 중성미자 진동 확률을 계산하며, $^8$B 및 CNO 중성미자에 집중하기.
• 예측된 중성미자 플럭스 변화를 태양 중성미자 데이터와 비교하기—특히 낮은 결합 상수, 가벼운 매개입자 영역에서.
• 태양 중성미자 실험의 모델 매개변수 공간에 대한 민감도를 평가하며, 다른 탐지 수단과 대비하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 중성미자 실험은 어둠의 MSW 효과를 통해 DM-중성미자 상호작용의 서류를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 특히 가벼운 매개입자와 작은 결합 상수 영역에서, '어둠의 MSW' 효과가 우세하고 관측 가능한가?
• RQ3 비대칭 어두운 물질이 태양에 포착될 때 유도되는 효과적인 매질 포텐셜로 인해 $^8$B 및 CNO 중성미자 플럭스는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 왜 다른 실험적 탐지 수단은 태양 중성미자 실험의 민감도를 유지하는 매개변수 영역을 제약하지 못하는가?
• RQ5 이러한 시나리오는 어떻게 무색 중성미자 천체물리학과 초기 우주, 그리고 '소수의 위성' 문제를 동시에 조화롭게 조율하는가?

주요 결과

• 어두운 물질과 결합된 경량 무색 중성미자에 대한 상당 부분의 매개변수 공간은 태양 중성미자 실험을 통해 탐지 가능하며, 특히 작은 결합 상수와 가벼운 매개입자 영역에서 두드러진다.
• 어둠의 MSW 효과는 고에너지 $^8$B 및 CNO 중성미자 플럭스에 상당한 변화를 유도하지만, 다른 중성미자 플럭스는 거의 영향을 받지 않는다.
• 낮은 결합 상수, 가벼운 매개입자 영역에서, 이 모델은 태양 중성미자 데이터를 제외한 모든 채널에서 표준 $3+1$ 중성미자 모델과 유사하게 행동한다.
• 활성 중성미자의 효과적인 매질 포텐셜은 태양에서 비대칭 어두운 물질의 포착으로 인해 발생하며, 중성미자 품질 전환을 위한 새로운 메커니즘을 가능하게 한다.
• 태양 중성미자 실험은 다른 탐지 수단—예를 들어 단거리 기반 진동 실험—이 비효율이 되는 영역에서 어두운 물질-중성미자 상호작용에 대해 고유한 민감도를 제공한다.
• 이 틀은 초기 우주와의 일관성을 유지하면서도 어두운 물질-중성미자 상호작용을 통해 '소수의 위성' 문제를 해결할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.