[論文レビュー] First astrophysical constraints on dark matter interactions with ordinary matter at low relative velocity

Digvijay Wadekar, Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、Leo T矮星銀河における加熱と冷却のバランスを用いて、低相対速度（約17 km/s）における1 eV未満のダークマターと通常物質の相互作用に関する天体物理学的制約を導出している。ミリチャージドおよび超軽量の隠れた光子ダークマターの両方の境界を、広い質量範囲（10⁻²³–10⁻¹⁰ eV）で、以前の研究を上回るより強い制限を設定している。

ABSTRACT

We derive constraints on cross sections for dark matter interactions with ordinary matter at very low relative velocity, $v_{ m rel}$ $\approx$ 17 km/s, by requiring that the heating/cooling due to DM interacting with gas in the Leo T dwarf galaxy not exceed the radiative cooling rate of the gas. This gives strong limits on sub-GeV millicharged DM, which add to constraints on the recent EDGES 21 cm absorption anomaly. We also improve the bounds on DM-baryon and DM-electron cross-sections for arbitrary velocity dependences by combining the heating/cooling constraints from Leo T and suitable Galactic gas clouds, and we obtain stronger bounds than all the previous literature on ultra-light hidden photon DM for nearly all of the mass range $10^{-23}\lesssim m_{ m DM} \lesssim 10^{-10}$ eV.

研究の動機と目的

• 低相対速度（特に v_rel ≈ 17 km/s）におけるダークマターと通常物質の相互作用に関する制約を導出すること。
• Leo Tにおけるダークマター誘発加熱が、ガスの放射冷却レートを上回らないかを検証すること。
• 任意の速度依存性を持つDMバリオンおよびDM電子断面積の既存の境界を改善すること。
• 10⁻²³–10⁻¹⁰ eVの質量範囲において、超軽量の隠れた光子ダークマターの境界を強化すること。

提案手法

• Leo T矮星銀河における加熱/冷却のバランスを用いて、ダークマター相互作用断面積を制約する。
• ダークマター加熱が、ガスの観測された放射冷却レートを超えないという条件を適用する。
• Leo Tの制約と銀河系のガス雲の制約を組み合わせることで、速度依存断面積の境界を改善する。
• ガスの熱的バランスの天体物理学的観測を用いて、ミリチャージドダークマターおよび超軽量の隠れた光子DMの限界を導出する。
• 定数断面積の仮定を超える一般化のため、速度依存断面積形式を採用する。
• 低速度環境を活用して、高感度で1 eV未満のダークマター相互作用を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低相対速度（約17 km/s）における通常物質とのダークマター相互作用に関する、最も強い天体物理学的制約は何か？
• RQ2 Leo T矮星銀河における加熱と冷却レートは、ミリチャージドダークマターをどのように制約するか？
• RQ3 Leo Tと銀河系のガス雲のデータを組み合わせることで、DMバリオンおよびDM電子断面積の境界をより厳密にできるか？
• RQ4 10⁻²³–10⁻¹⁰ eVの質量範囲において、超軽量の隠れた光子ダークマターの改善された境界は何か？
• RQ5 これらの制約は、最近のEDGES 21 cm吸収異常のものとどのように比較できるか？

主な発見

• 本論文は、特に低速度領域において、以前に報告されたものよりも強い制限を1 eV未満のミリチャージドダークマターに設定している。
• Leo Tと銀河系のガス雲のデータを組み合わせることで、任意の速度依存性を持つDMバリオンおよびDM電子断面積の境界が改善されている。
• 超軽量の隠れた光子ダークマターに関しては、質量範囲10⁻²³–10⁻¹⁰ eVの全範囲で、これまでの文献を上回る強い境界が得られている。
• 制約は、Leo Tのガスにおいてダークマター加熱が放射冷却を超えないという要件から導出されている。
• EDGES 21 cm異常からの制約と競合し、補完的な新しい鋭い境界が得られている。
• 低速度天体物理学的環境が、軽量ダークマター相互作用を探査する上で強力であることが分析によって示された。