[论文解读] Sterile neutrino dark matter production in presence of non-standard neutrino self-interactions: an EFT approach

Cristina Benso, Werner Rodejohann+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用 16

一句话总结

本文研究了在早期宇宙中通过Dodelson-Widrow机制产生纯中微子暗物质时，非标准中微子自相互作用（NSSI）的影响，采用有效场论（EFT）框架引入NSSI。结果表明，NSSI——特别是标量、赝标量和轴矢量类型——可显著改变keV量级纯中微子的参数空间，扩大混合角的可行区域，并使HUNTER计划Phase 3等未来实验具备可探测性，同时仍与结构形成约束一致。

ABSTRACT

Sterile neutrinos with keV-scale masses are popular candidates for warm dark matter. In the most straightforward case they are produced via oscillations with active neutrinos. We introduce effective self-interactions of active neutrinos and investigate the effect on the parameter space of sterile neutrino mass and mixing. Our focus is on mixing with electron neutrinos, which is subject to constraints from several upcoming or running experiments like TRISTAN, ECHo, BeEST and HUNTER. Depending on the size of the self-interaction, the parameter space moves closer to, or further away from, the one testable by those future experiments. In particular, we show that phase 3 of the HUNTER experiment would test a larger amount of parameter space in the presence of self-interactions than without them. We also investigate the effect of the self-interactions on the free-streaming length of the sterile neutrino dark matter, which is important for structure formation observables.

研究动机与目标

• 研究非标准中微子自相互作用（NSSI）对早期宇宙中纯中微子暗物质产生的影响。
• 确定NSSI如何影响keV量级纯中微子的可行参数空间，特别是其与电子中微子的混合情况。
• 评估NSSI是否能缓解X射线对纯中微子衰变的约束，同时仍使HUNTER、TRISTAN、ECHo和BeEST等未来实验具备可探测信号的能力。
• 确保诱导出的NSSI不与结构形成限制（尤其是自由流长约束）冲突。
• 采用有效场论（EFT）实现模型无关分析，系统地包含马约拉纳中微子的味对角NSSI。

提出的方法

• 使用有效场论（EFT）形式化方法，建模由标量、赝标量或轴矢量粒子介导的味对角非标准中微子自相互作用（NSSI）。
• 推导NSSI的有效拉格朗日量，通过高维算符引入动量依赖项，耦合强度以费米常数（GF）为基准参数化。
• 利用有限温度场论计算活性中微子的温度依赖热势，包含NSSI引起的自能修正。
• 求解包含由NSSI修改的振荡项和碰撞项的半经典玻尔兹曼方程，以获得纯中微子分布函数。
• 评估标量、轴矢量和赝标量NSSI的有效势贡献（VS、VA、VP），显示其与温度的T⁴依赖关系。
• 对中微子分布进行动量积分（J(f)n）的解析计算，导出质量无量纲极限下的热势显式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 非标准中微子自相互作用（NSSI）如何改变Dodelson-Widrow产生机制中keV量级纯中微子暗物质的参数空间？
• RQ2 NSSI在多大程度上能扩大混合角（sin²2θ）和纯中微子质量（ms）的可行区域，以实现正确的遗迹丰度？
• RQ3 NSSI是否能帮助规避X射线对纯中微子衰变的约束，同时仍使HUNTER Phase 3等未来实验具备可探测信号的能力？
• RQ4 诱导出的NSSI是否会导致不可接受的大的自由流长，从而与结构形成观测结果冲突？
• RQ5 包含NSSI后，对TRISTAN、ECHo、BeEST和HUNTER等地面实验探测keV量级纯中微子的灵敏度有何影响？

主要发现

• NSSI——特别是标量、赝标量和轴矢量类型——可显著扩大纯中微子暗物质的可行参数空间，使混合角可小于或大于标准Dodelson-Widrow情形下的值。
• NSSI产生的热势与T⁴成正比，且与耦合强度ϵ成正比，显式表达式为：VS = −7√2π²GFϵS/(45m²φ)·ωT⁴，VA = −14√2π²GFϵA/(45m²φ)·ωT⁴，VP = −7√2π²GFϵP/(45m²φ)·ωT⁴。
• 在‘鸡尾酒’暗物质场景中，若纯中微子仅部分贡献总遗迹密度，则X射线约束被缓解，进一步扩大了可探测参数空间。
• 与标准情形相比，HUNTER Phase 3在NSSI存在下可探测更大的参数空间区域，显著提升其发现潜力。
• 纯中微子的自由流长仍处于可接受范围内，因为NSSI不会引起过度的动量扩散，因此与大尺度结构观测保持一致。
• 模型无关的EFT方法证实，NSSI不会导致过度能量损失或不稳定性等非物理效应，验证了该框架在未来实验对比中的有效性。