[論文レビュー] The NFW Dark Matter Density Profile Leads to Axially Symmetric Velocity Distribution-Imlications on Direct Dark Matter Searche

J.D. Vergados|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、Eddingtonの手法に角運動量補正を加え、球対称なNFWダークマター密度プロファイルから軸対称なWIMP速度分布を導出する。このような分布は、逃げ出し速度を手動で導入しなくても自然に有限な定義域を持つことを示し、特に年間周期変動と速度非対称性の文脈において、直接検出率に与える影響を示している。

ABSTRACT

In the present paper we obtain the WIMP velocity distribution in our vicinity starting from spherically symmetric WIMP density profiles in a self consistent way by employing the Eddington approach. By adding a reasonable angular momentum dependent term in the expression of the energy, we obtain axially symmetric WIMP velocity distributions as well. We find that some density profiles lead to approximate Maxwell-Boltzmann distributions, which are automatically defined in a finite domain, i.e. the escape velocity need not be put by hand. The role of such distributions in obtaining the direct WIMP detection rates, including the modulation, is studied in some detail and, in particular, the role of the asymmetry is explored.

研究の動機と目的

• 太陽系近傍のWIMP速度分布を、自己無撞着な方法で球対称なダークマター密度プロファイルから導出すること。
• 角運動量の寄与が、純粋に球対称な分布ではなく軸対称な速度分布を生じる仕組みを調査すること。
• 導出された分布が直接WIMP検出率に与える影響、特に年間周期変動信号の観点から評価すること。
• 速度分布の非対称性が検出観測量の形状に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 与えられた球対称なダークマター密度プロファイルから位相空間分布を逆算するため、Eddingtonの手法を適用する。
• エネルギー式に角運動量依存項を導入することで球対称性を破り、軸対称な速度分布を生成する。
• 解析的に導出した速度分布関数が、手動によるカットオフを必要とせず、自然に逃げ出し速度で境界づけられることを保証する。
• 特にその分布が有限領域内でマクスウェル＝ボルツマン分布に類似しているかを、その挙動を検討する。
• 導出された速度分布を用いて、時間依存の周期変動効果を含めた直接検出率を計算する。
• 検出信号の感度が速度分布の非対称性にどのように依存するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー式に角運動量依存項を組み込むと、NFWプロファイルから導かれるWIMP速度分布の形状にどのような影響を与えるか？
• RQ2 Eddington法により、人工的なカットオフを設けずに自然に逃げ出し速度を満たす速度分布が得られるか？
• RQ3 導出された軸対称な速度分布は、どの程度までマクスウェル＝ボルツマン分布に類似しているか？
• RQ4 速度分布の非対称性が、直接ダークマター検出実験における年間周期変動信号にどのように影響を与えるか？
• RQ5 これらの速度分布が、直接検出探索における予想されるイベントレートにどのような意味を持つのか？

主な発見

• エネルギー式に角運動量依存項を組み込むことで、球対称性が破れ、WIMP速度分布が軸対称となる。
• 導出された速度分布は自然に有限な定義域内に閉じ込められており、逃げ出し速度を別個にカットオフとして導入する必要がない。
• NFWプロファイルを含む一部の密度プロファイルは、物理的領域内でマクスウェル＝ボルツマン分布に類似した速度分布を生じる。
• 速度分布の非対称性は、直接検出実験における年間周期変動信号の振幅と位相に顕著な影響を与える。
• 密度プロファイルから速度分布を導出するにあたり、本手法は自己無撞着なフレームワークを提供し、検出率計算の物理的妥当性を高める。