[논문 리뷰] WIMP matter power spectra and small scale power generation

Céline Bœhm, H. Mathis외 2명|arXiv (Cornell University)|2003. 09. 24.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비가역적인 자기상호작용을 갖는 약한 상호작용을 하는 거대한 입자(WIMPs)를 조사하며, 이는 약 10³ M⊙ 규모에서 충돌성 감쇠를 유도하고 선형 물질 스펙트럼의 감쇠를 초래한다. 이 감쇠에도 불구하고 수치 시뮬레이션은 저적성적(저적성적, z ≤ 1)에서 비선형 물질 스펙트럼이 표준 냉각 어둠자기물질(CDM)과 구분되지 않음을 보여주며, 이는 소규모 척도에서의 파워 재생 때문이므로, 렌즈 측정만으로는 이러한 충돌성 WIMPs를 전통적인 CDM 후보와 명확히 분리할 수 없다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기상호작용이 있는 경량 WIMP 유사 어둠자기물질 후보(1 MeV 초과, 10 GeV 이하)의 물질 스펙트럼에 미치는 영향을 평가하기 위해
• 이러한 충돌성 WIMPs가 비선형 물질 스펙트럼을 통해 표준 냉각 어둠자기물질(CDM)과 구분될 수 있는지 판단하기 위해
• 낮은 적성에서 비CDM 스펙트럼이 CDM 스펙트럼과 유사해지는 소규모 척도 파워 재생의 역할을 조사하기 위해
• 감쇠된 선형 스펙트럼을 갖는 대안 어둠자기물질 후보를 제약하는 데 있어 렌즈 측정의 강건성 평가하기 위해

제안 방법

• 표준(예: 중성미자형) 및 비표준 경량 WIMP 후보(1 MeV – 10 GeV)에 대해 충돌성 감쇠 및 자유류동 스케일을 계산하며, 이들은 붕괴를 통한 정확한 잔류 밀도를 달성한다.
• z = 0 및 z = 10에서 비선형 물질 스펙트럼 P(k)nl을 계산하기 위해 수치적 N-body 시뮬레이션을 수행하며, 잘라내기 기준으로 10⁶, 10⁷, 10⁸, 10⁹ h⁻¹ M⊙를 사용한다.
• 자기상호작용이 있는 다양한 어둠자기물질 모델(표준 CDM 및 다양한 질량을 가진 따뜻한 어둠자기물질(WDM)) 간의 결과 P(k)nl 스펙트럼을 비교한다.
• z = 0 및 z = 10에서 군집 질량 함수를 분석하여 다양한 모델 간의 구조 형성 효율성의 차이를 정량화한다.
• P(k)nl의 시간 진화를 분석하여 약한 렌즈 측정이 어둠자기물질 모델을 구분하는 데 유용한지 평가한다.
• 모의 시뮬레이션의 동적 범위와 적성에 따른 결과 민감도를 평가하며, 100 kpc/h 이하 척도에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기상호작용이 비가역적인 경량 WIMP 후보가 천체물리적 관련 척도(~10³ M⊙)에서 감쇠된 선형 물질 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ2 소규모 척도에서의 파워 재생은 저적성에서 비선형 물질 스펙트럼에 초기 감쇠의 인상을 얼마나 제거하는가?
• RQ3 z < 1에서의 약한 렌즈 측정은 감쇠된 선형 스펙트럼을 갖는 표준 CDM와 충돌성 WIMP 모델을 구분할 수 있는가?
• RQ4 고적성(z = 10)과 저적성(z = 0)에서 다양한 잘라내기 척도를 가진 CDM와 경량 WIMP 모델 간의 군집 질량 함수는 어떻게 다를까?
• RQ5 P(k)nl보다도 구조적 매개변수나 재이온화 이력이 대안 어둠자기물질 후보를 더 효과적으로 분리하는 데 유리한가?

주요 결과

• 자기상호작용이 있는 충돌성 WIMP 모델에서 잘라내기 척도가 약 10³ M⊙일 경우, 저적성(z ≤ 1)에서 비선형 물질 스펙트럼 P(k)nl이 표준 CDM와 구분되지 않게 된다. 이는 소규모 척도에서의 파워 재생 때문이기 때문이다.
• 10⁹ h⁻¹ M⊙에서 잘라내기 기준을 두더라도, 충돌성 WIMPs의 시뮬레이션 P(k)nl은 z < 1에서 CDM 스펙트럼과 매우 유사하게 나타나며, 이는 렌즈 조사의 분류 능력을 제한한다.
• z = 10에서 0.6 keV WDM 모델은 CDM에 비해 군집 수가 약 40배 감소해 구조 형성의 조기 억제를 나타낸다.
• z = 10에서 0.6 keV WDM 모델의 군집 질량 함수는 낮은 질량(M < 10⁸.⁵ h⁻¹ M⊙)에서 크게 억제되지만, 높은 질량에서는 회복된다.
• 렌즈 측정이 70 h⁻¹ kpc 이하 척도를 탐색할 경우, 10⁹ h⁻¹ M⊙ 잘라내기 기준의 임계 영역을 탐지할 수 있지만, 현재 200 h⁻¹ kpc 척도에서의 조사는 이러한 모델을 구분하는 데에는 부족하다.
• 다른 서명, 예를 들어 군집의 구조적 매개변수나 재이온화 이력은 더 나은 분류 능력을 제공할 수 있지만, 복사 물리학의 불확실성으로 인해 약화된다.