[论文解读] The Dark Side of MSW: Solar Neutrinos as a Probe of Dark Matter-Neutrino Interactions

Francesco Capozzi, Ian M. Shoemaker+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用 4

一句话总结

本文提出，与暗物质（DM）耦合的惰性中微子会诱导出有效的DM-中微子相互作用，进而在太阳中引发‘暗物质MSW效应’，从而改变高能$^8$B和CNO中微子通量。太阳中微子实验能够探测到显著范围的参数空间——尤其是对于轻媒介子和小耦合的情况——而其他探测手段则无法实现。

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.

研究动机与目标

• 探索惰性中微子与暗物质（DM）耦合时产生有效DM-中微子相互作用的现实情景。
• 通过DM-中微子相互作用解决大尺度结构形成中的卫星缺失问题。
• 研究太阳中微子实验是否能够探测到传统方法失效的DM-中微子耦合情景。
• 确定由于暗物质不对称捕获而在太阳中出现暗物质MSW效应的条件。
• 确定太阳中微子数据对eV量级质量范围内轻度惰性中微子和DM相互作用的敏感度。

提出的方法

• 构建一个包含DM和新奇相互作用的非平凡动力学的3+1惰性中微子模型。
• 推导出由DM-中微子耦合引起的不对称DM介质中活性中微子的有效介质势。
• 将太阳建模为不对称DM捕获的源，从而为中微子传播产生非平凡的背景势。
• 利用有效介质势计算太阳中中微子振荡概率，重点关注$^8$B和CNO中微子。
• 将预测的中微子通量变化与太阳中微子数据进行比较，尤其关注小耦合、轻媒介子区域。
• 评估太阳中微子实验对模型参数空间的敏感度，并与其它探测手段进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳中微子实验能否通过暗物质MSW效应探测到DM-中微子相互作用的信号？
• RQ2 在何种参数区域——尤其是轻媒介子和小耦合——下，暗物质MSW效应变得主导且可观测？
• RQ3 由于太阳中不对称DM引起的有效介质势，$^8$B和CNO中微子通量如何变化？
• RQ4 为何其他实验探测手段无法约束太阳中微子实验仍保持敏感的参数空间？
• RQ5 这些情景在多大程度上能够调和惰性中微子宇宙学与早期宇宙的关系，同时通过DM-中微子相互作用解决卫星缺失问题？

主要发现

• 对于与DM耦合的轻度惰性中微子，太阳中微子实验能够探测到显著范围的参数空间，尤其在小耦合和轻媒介子区域。
• 暗物质MSW效应导致高能$^8$B和CNO中微子通量发生显著变化，而其他中微子通量基本不受影响。
• 在小耦合、轻媒介子区域，该模型在除太阳中微子数据外的所有通道中均表现得如同标准的$3+1$中微子模型，而太阳中微子数据中则显现出暗物质MSW效应。
• 活性中微子的有效介质势源于太阳对不对称DM的捕获，从而为中微子味转换提供了一种新机制。
• 太阳中微子实验对DM-中微子相互作用具有独特敏感度，而其他探测手段——如短基线振荡实验——则变得效率低下。
• 该框架为调和惰性中微子宇宙学与早期宇宙的关系提供了可行路径，同时通过DM-中微子相互作用解决了卫星缺失问题。