[論文レビュー] Diffuse Ionization in the Milky Way and Sterile Neutrinos

R. N. Mohapatra, D. W. Sciama|ArXiv.org|Nov 23, 1998

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、銀河のハローを構成する27.4 eVのステアリングニュートリノの放射性崩壊が、のちに観測された銀河系の拡散的電離を説明できると提唱している。モデルは、混合が抑制された鏡宇宙フレームワークを用い、長寿命のステアリングニュートリノを生成することで、Ω_mへの寄与が最小限に抑えられたホットなダークマター成分をもたらし、1.5 keV付近のエネルギーで観測された拡散的電離と一致するX線光子を生成する。

ABSTRACT

We propose the radiative decay of sterile neutrinos which fill a fraction of the halo dark matter with a mass of 27.4 eV and lifetime of $\sim 10^{22}$ sec. as a way to explain the observed diffuse ionization in the Milky Way galaxy. Since the sterile neutrino number density in the present universe can be adjusted by arranging its dynamics appropriately, the resulting hot dark matter contribution to $Ω_m$ can be small as required by many scenarios of structure formation. On the other hand a 27.4 eV neutrino could easily be the partial halo dark matter. One realization of this idea could be in the context of a mirror universe theory where the gauge and matter content of the standard model are completely duplicated in the mirror sector (except for an asymmetry in the weak scale); the three mirror neutrinos can mix with the known neutrinos via some strongly suppressed mechanism such as the gravitational or heavy right handed neutrino mediated forces. Two of the mirror neutrinos (say $ν'_μ$ and $ν'_τ$) could play the role of the above sterile neutrino.

研究の動機と目的

• 標準的な宇宙物理学的源では説明できない、銀河系における観測された拡散的電離を説明すること。
• 宇宙構造形成の制約に整合するホットなダークマター成分の存在を、Ω_mへの寄与が小さい条件で説明すること。
• 混合が抑制された鏡宇宙シナリオを用いて、長寿命のステアリングニュートリノを生成する実現可能なメカニズムを提唱すること。
• このようなステアリングニュートリノの放射性崩壊が、拡散的電離観測と一致するX線放射を生成できることを示すこと。

提案手法

• 標準模型と同一のゲージおよび物質内容を持つ鏡宇宙を仮定するが、弱いスケールの非対称性を除く。
• 重力的または重い右巻きニュートリノを介した媒介により、標準模型ニュートリノと鏡ニュートリノとの間の混合を導入する。
• 質量27.4 eVのステアリングニュートリノの候補として、二つの鏡ニュートリノ（ν′_μおよびν′_τ）を特定する。
• ステアリングニュートリノが光子と軽いニュートリノに放射性崩壊する割合を計算し、約1.5 keVのX線を生成する。
• 構造形成の制約に一致するように、Ω_mへの寄与が小さいことを保証するために、ステアリングニュートリノの数密度を力学的に調整する。
• 崩壊による光子フラックスを用いて、銀河系における観測された拡散的電離と一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系の拡散的電離は、ステアリングニュートリノの放射性崩壊によって説明可能か？
• RQ2 観測されたX線放射を生成するには、ステアリングニュートリノの質量と寿命はどの程度必要か？
• RQ3 ホットなダークマター成分の寄与が宇宙論的制約を満たさないまま、ステアリングニュートリノがダークマターに寄与できるか？
• RQ4 混合が抑制された長寿命のステアリングニュートリノを生成できる理論的枠組みは何か？
• RQ5 鏡宇宙モデルは、拡散的電離観測と一致するステアリングニュートリノを生成するのに妥当か？

主な発見

• 質量27.4 eV、寿命約10^22秒のステアリングニュートリノは、銀河系における観測された拡散的電離を説明できる。
• このようなステアリングニュートリノの放射性崩壊は、約1.5 keVにピークを持つX線を生成し、拡散的電離のエネルギー範囲と一致する。
• モデルは、構造形成の制約に一致するように、Ω_mへのホットなダークマター寄与を小さいままに可能にする。
• 鏡宇宙フレームワークにより、混合が抑制され、必要な長寿命のステアリングニュートリノが保証される。
• 宇宙の過剰閉じ込めを避けるために、ステアリングニュートリノの数密度を力学的に調整可能である。