[论文解读] A new constraint on millicharged dark matter from galaxy clusters

Kenji Kadota, Toyokazu Sekiguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用 24

一句话总结

本文通过分析星系团中随机取向磁场的影响，提出了对渺电荷暗物质（MDM）的新约束。作者表明，电荷为 $\epsilon e$ 的 MDM 会经历回旋运动和类似随机行走的扩散，从而扭曲预期的冷暗物质密度剖面；通过要求与观测到的星系团质量分布一致，得出约束 $\epsilon \lesssim 10^{-14}(m/\text{GeV})$，显著优于以往的限制。

ABSTRACT

We propose a new constraint on millicharged dark matter from considerations on galaxy clusters. The charged dark matter moves under the influence of the randomly oriented magnetic fields in galaxy clusters, and the corresponding dark matter density profile can significantly differ from the concordance CDM predictions which are well supported from the galaxy cluster observations. With a typical amplitude of magnetic fields $B=\mathcal O(1)\,μ$G and dark matter velocity $v=\mathcal O(100)\,$km/sec at a cluster radius $R\simeq 1\,$Mpc, we claim that the charge $εe$ ($e$ is the elementary charge) of dark matter with mass $m$ should be bounded as $ε\lesssim 10^{-14}(m/{ m GeV})$ which is substantially tighter than the other previous constraints.

研究动机与目标

• 通过星系团中随机取向、强度约为 $\mathcal{O}(1)\mu\text{G}$ 的磁场，推导对渺电荷暗物质（MDM）的新约束。
• 研究星系尺度磁场引起的洛伦兹力如何影响暗物质密度剖面，特别是与星系团中观测到的标准 NFW 剖面进行比较。
• 通过考虑 MDM 在星系团环境中的动力学行为，改进来自直接探测、原初核合成（BBN）和宇宙微波背景（CMB）的现有约束。
• 识别出由于磁场效应而被排除的 MDM 参数区域，即使其他约束（如来自 LUX 实验）不适用。

提出的方法

• 将渺电荷暗物质的运动建模为由于星系团中随机取向磁场引起的随机行走，其回旋半径 $R_g \sim 10^{-9} \left(\frac{m}{1\,\text{GeV}}\right) \epsilon^{-1} \left(\frac{v}{300\,\text{km/s}}\right) \left(\frac{B}{1\,\mu\text{G}}\right)^{-1} \text{pc}$。
• 要求磁场引起的洛伦兹力不超过引力，以保持观测到的星系尺度暗物质分布。
• 利用磁场引起的扩散不应模糊引力势阱的条件，从而对 $\epsilon$ 建立约束。
• 将所得约束与来自红巨星/白矮星冷却、BBN、CMB 和直接探测（如 LUX）的现有约束进行比较，尤其关注在这些约束因天体物理屏蔽或运动学抑制而不适用的区域。
• 假设磁场相干尺度短于回旋半径，确保无论磁场结构如何，MDM 轨迹都能迅速随机化。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系团中随机取向的磁场如何影响渺电荷暗物质的空间分布？
• RQ2 通过要求与观测到的星系尺度暗物质密度剖面一致，可以推导出对渺电荷 $\epsilon$ 的什么上限？
• RQ3 在什么参数范围内，LUX 实验的直接探测约束因银河系磁场和超新星喷射而失效，这如何影响整体约束图景？
• RQ4 星系尺度磁场能否提供比现有宇宙学和实验室约束更紧的 MDM 约束？

主要发现

• 本文推导出对暗物质渺电荷的新上限：$\epsilon \lesssim 10^{-14}(m/\text{GeV})$，显著优于以往约束。
• 该约束源于要求磁场引起的随机行走运动不破坏星系团中观测到的类似 NFW 的暗物质密度剖面。
• 只要磁场方向随机取向，该约束对星系团磁场的相干尺度不敏感，确保 MDM 轨迹迅速随机化。
• 该约束排除了此前直接探测实验认为可行的大量参数区域，尤其在 $m \lesssim 100\,\text{GeV}$ 时。
• 对于 $m \lesssim 10\,\text{GeV}$，该约束强于红巨星和白矮星冷却的约束，且在 MDM 被银河系盘面屏蔽的阴影区域内超越了 LUX 的限制。
• 分析表明，大 $\epsilon$ 的 MDM 不仅被 BBN 排除，也因星系团中磁场扩散与引力势阱一致性的共同效应而被排除。