[论文解读] A new life for sterile neutrino dark matter after the pandemic

Torsten Bringmann, Paul Frederik Depta+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在早期宇宙中通过自相互作用触发的、仅依赖于纯中微子振荡初始产生机制的极简型无菌中微子暗物质产生机制，该机制可引发无菌中微子丰度的指数级增长。该模型基于一个带有标量媒介子的隐蔽暗区，为keV量级的无菌中微子作为暗物质开辟了新的可行参数空间，显著提升了X射线谱线探测的前景，并对结构形成施加了更严格的约束。

ABSTRACT

We propose a novel mechanism to generate sterile neutrinos $ u_s$ in the early Universe, by converting ordinary neutrinos $ u_\alpha$ in scattering processes $ u_s u_\alpha o u_s u_s$. After initial production by oscillations, this leads to an exponential growth in the $ u_s$ abundance. We show that such a production regime naturally occurs for self-interacting $ u_s$, and that this opens up significant new parameter space where $ u_s$ make up all of the observed dark matter. Our results provide strong motivation to further push the sensitivity of X-ray line searches, and to improve on constraints from structure formation.

研究动机与目标

• 提出一种仅依赖于无菌中微子和标量媒介子、无需引入额外新粒子的极简型无菌中微子暗物质产生机制。
• 克服Dodelson-Widrow机制的局限性，该机制无法产生足够多的无菌中微子丰度以构成暗物质。
• 证明在隐蔽暗区中，自相互作用可导致无菌中微子数密度在初始产生后出现指数级增长。
• 识别出keV量级无菌中微子作为暗物质的新可行参数空间，且与宇宙学观测一致。
• 为未来的X射线谱线搜寻提供更强的动机，并通过结构形成获得更严格的约束。

提出的方法

• 提出一个带有标量媒介子φ的隐蔽暗区，该媒介子通过混合角θ与无菌中微子νs和活性中微子να耦合。
• 通过包含νs、να和φ的相互作用拉格朗日量进行建模，假设其为马约拉纳质量且混合角θ ≪ 1。
• 分析热平均截面⟨σv⟩_tr（传输过程νsνα → νsνs）和⟨σv⟩_fi（冻结产生过程νsνs → φφ）的大小，表明⟨σv⟩_tr ∝ sin²θ，⟨σv⟩_fi ∝ sin⁴θ。
• 证明当⟨σv⟩_tr ≫ ⟨σv⟩_fi时，系统将进入无菌中微子丰度的指数增长阶段。
• 利用动力学方程追踪νs数密度的演化，包括通过振荡产生的初始冻结产生，以及随后通过νsνα → νsνs散射引发的指数增长。
• 考虑媒介子质量mφ > 2ms（重媒介子）和mφ < 2ms（轻媒介子）两种极限情况，表明结果在定性上具有鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不引入额外新粒子的前提下，通过自相互作用驱动的指数增长机制实现无菌中微子暗物质的产生？
• RQ2 在隐蔽暗区中，何种条件可使传输速率⟨σv⟩_tr远大于冻结产生速率⟨σv⟩_fi？
• RQ3 在无菌中微子之间引入自相互作用后，keV量级无菌中微子作为暗物质的可行参数空间将如何变化？
• RQ4 该机制在多大程度上可规避现有X射线谱线搜寻和结构形成观测的约束？
• RQ5 该机制是否能够解释全部暗物质丰度，同时与宇宙学观测保持一致？

主要发现

• 该机制可在初始通过振荡产生后，实现无菌中微子丰度的指数级增长，显著提升最终的遗迹丰度。
• 该模型对keV量级的无菌中微子依然可行，其混合角θ ∼ 10⁻⁷至10⁻⁶，具体取决于质量与媒介子性质。
• 当传输速率⟨σv⟩_tr远大于冻结产生速率⟨σv⟩_fi时，指数增长阶段出现，这在隐蔽暗区中因sin²θ ≫ sin⁴θ而自然满足。
• 该模型预测了来自无菌中微子衰变的可探测X射线谱线，谱线能量Eγ ≈ ms/2，使其成为未来X射电望远镜的重要探测目标。
• 该情景与结构形成约束一致，尤其当自相互作用抑制小尺度功率时，且与Lyman-α森林和星系团强引力透镜数据兼容。
• 与标准Dodelson-Widrow情景相比，该机制开辟的参数空间显著更大，为提升X射线和天体物理约束提供了强有力动机。