[論文レビュー] Towards Testing Sterile Neutrino Dark Matter with SRG Mission

V. V. Barinov, Dmitry Gorbunov+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、SRGミッションが光子および活性ニュートリノへの放射性崩壊を通じてkeVスケールの不活性ニュートリノ暗黒物質をテストする可能性を評価する。eROSITAとART-XCのデータを用いて、SRGは3.5 keV線に関してXMM-Newtonと同等の感度に達することができ、2.4 keV未満および5–20 keVのエネルギー範囲では、以前のミッションよりも強力な制約を与えることが示され、不活性ニュートリノ検出の可能性が著しく前進する。

ABSTRACT

We investigate the prospects of the SRG mission in searches for the keV-scale mass sterile neutrino dark matter radiatively decaying into active neutrino and photon. The ongoing all-sky X-ray survey of the SRG space observatory with data acquired by the ART-XC and eROSITA telescopes can provide a possibility to fully explore the resonant production mechanism of the dark matter sterile neutrino, which exploits the lepton asymmetry in the primordial plasma consistent with cosmological limits from the Big Bang Nucleosynthesis. In particular, it is shown that at the end of the four year all-sky survey, the sensitivity of the eROSITA telescope near the 3.5 keV line signal reported earlier can be comparable to that of the XMM-Newton with all collected data, which will allow to carry out another independent study the possible sterile neutrino decay signal in this area. In the energy range below $\approx2.4$ keV, the expected constraints on the model parameters can be significantly stronger than those obtained with XMM-Newton. From ART-XC data, in the energy range approximately from 5 to 20 keV, it can be possible to get more stringent constraints than those obtained with NuSTAR so far. We conclude that the SRG mission has a very high potential in testing the sterile neutrino dark matter hypothesis.

研究の動機と目的

• keVスケールの不活性ニュートリノ暗黒物質の放射性崩壊による光子および活性ニュートリノ生成を介して、SRGミッションの検出能力を評価すること。
• 過去のXMM-Newton観測で報告された3.5 keV線信号をeROSITAおよびART-XC望遠鏡の感度がどの程度探査できるかを評価すること。
• 特定のエネルギー範囲において、以前のX線ミッションよりもSRGが不活性ニュートリノパラメータに対してより強い制約を提供できるかどうかを同定すること。
• ビッグバン核合成の制限と整合的な初期レプトン非対称性を用いた、不活性ニュートリノの共鳴生成メカニズムのテスト可能性を検討すること。

提案手法

• 4年間の全天サーベイ中にeROSITA望遠鏡が3.5 keV崩壊線に対して示す予想される感度を分析すること。
• 3.5 keV線に対して、eROSITAの予想感度をXMM-Newtonの全データを用いた感度と比較すること。
• eROSITAデータを用いて、約2.4 keV未満のエネルギー範囲における不活性ニュートリノパラメータの制約を評価すること。
• ART-XCデータが5–20 keVエネルギー範囲における不活性ニュートリノ崩壊をどの程度制約できるかを評価すること。
• ビッグバン核合成の制限と整合的な初期レプトン非対称性を用いた共鳴的不活性ニュートリノ生成理論モデルを適用し、整合性を確認すること。
• SRG望遠鏡の機器応答関数および露出マップを用いて、関連するエネルギー帯域全域における検出感度をシミュレートすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SRGミッションは、3.5 keV不活性ニュートリノ崩壊線に対して、XMM-Newtonと同等の感度を達成できるか？
• RQ2 2.4 keV未満のエネルギー範囲において、SRGが得る不活性ニュートリノパラメータの制約は、XMM-Newtonのものと比べてどの程度強いか？
• RQ3 ART-XCデータは、5–20 keV範囲における不活性ニュートリノ崩壊に対して、NuSTARのものよりもきめ細やかな制約を提供できるか？
• RQ4 宇宙論的に整合的なレプトン非対称性のもとで、SRGデータが不活性ニュートリノの共鳴生成メカニズムをどの程度まで探査できるか？

主な発見

• 4年間の全天サーベイ終了時点で、eROSITAの3.5 keV線近傍における感度は、XMM-Newtonが全データを集めた場合と同等になると予想される。
• 約2.4 keV未満のエネルギー範囲では、SRGがXMM-Newtonのものよりも不活性ニュートリノパラメータに対して著しく強い制約を提供することが予想される。
• ART-XCデータから、5–20 keVエネルギー範囲における制約は、現在のNuSTARのものよりもきめ細やかになる可能性がある。
• SRGミッションは、XMM-Newtonが報告した3.5 keV線信号を独立してテストする可能性を有しており、将来的な検出報告の信頼性を高める。
• ビッグバン核合成の制限と整合的な初期レプトン非対称性のもとで、不活性ニュートリノの共鳴生成メカニズムは、SRGデータを用いて完全に探査可能である。