[论文解读] Constraining Asymmetric Bosonic Non-interacting Dark Matter with Neutron Stars

Yi-Zhong Fan, Ruizhi Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文利用中子星观测重新评估了非相互作用不对称玻色子暗物质的约束，结合了更新的霍金辐射和邦迪吸积速率。研究发现，此类暗物质在3.3 GeV至约10 TeV的质量范围内是可行的，包括DAMA和CoGeNT favored的5.7 GeV及5–15 GeV范围，解决了因低估蒸发速率而导致的先前排除问题。

ABSTRACT

The Hawking evaporation of small black holes formed by the collapse of dark matter at the center of neutron stars plays a key role in loosing the constraint on the mass of asymmetric bosonic non-interacting dark matter particles. Different from previous works we show that such a kind of dark matter is viable in the mass range from 3.3 GeV to ~ 10 TeV, which covers the most attractive regions, including the preferred asymmetric dark matter mass ~ 5.7 GeV as well as the 5-15 GeV range favored by DAMA and CoGeNT.

研究动机与目标

• 利用中子星稳定性作为探测手段，重新审视不对称玻色子非相互作用暗物质的可行性。
• 解决先前约束中排除首选5.7 GeV和5–15 GeV质量范围的不一致性问题。
• 在暗物质诱导黑洞形成背景下，改进霍金辐射和邦迪吸积速率估计的准确性。
• 确定与古老稳定中子星存在一致的非湮灭玻色子暗物质的质量窗口。

提出的方法

• 使用MacGibbon (1990)的更新霍金辐射速率，校正先前对黑洞质量损失的低估。
• 重新评估由暗物质坍缩在中子星核心形成的微小黑洞上的邦迪吸积速率。
• 应用中子星年龄超过~2.5×10⁷年不得坍缩成黑洞的条件，推导质量约束。
• 利用中子星冷却模型，推导玻色-爱因斯坦凝聚和黑洞形成的关键温度阈值（T_s,crit）。
• 整合中子星表面温度和年龄数据（例如来自J0108-1431）以约束暗物质质量与截面的参数空间。
• 求解临界暗物质质量m_χ,c ≈ 3.3 GeV，此时黑洞形成因蒸发而变得不稳定，以及m_up ≈ 10 TeV，此时吸积占主导。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑中子星稳定性的情况下，不对称玻色子非相互作用暗物质粒子的最低质量界限是什么？
• RQ2 为何先前的约束过于严格？改进后的霍金辐射和吸积速率如何改变允许的质量窗口？
• RQ3 DAMA/CoGeNT青睐的5.7 GeV暗物质质量和5–15 GeV范围是否与中子星观测一致？
• RQ4 在黑洞形成和吸积摧毁中子星之前，非湮灭玻色子暗物质的上限质量是多少？
• RQ5 玻色-爱因斯坦凝聚的存在如何影响坍缩动力学及由此产生的约束？

主要发现

• 由于改进了霍金辐射建模，可行的不对称玻色子非相互作用暗物质质量下限降低至m_χ,c ≈ 3.3 GeV。
• 5.7 GeV的暗物质质量（在不对称暗物质模型中受青睐）现在是可行的，解决了先前的排除问题。
• DAMA和CoGeNT青睐的5–15 GeV质量范围不再被排除，且落入允许窗口。
• 上限质量被约束为m_χ < m_up ≈ 10 TeV（当ρ_dm = 0.3 GeV/cm³时），超过此质量，中子星将因吸积而被摧毁。
• 即使在极端情况下，m_up仍远高于m_χ,c，确认了从3.3 GeV到~10 TeV的稳健窗口。
• 未来对致密暗物质区域中磁化中子星的观测可能探测到亚MeV至亚GeV范围。