[论文解读] Constraints on dark matter-neutrino scattering from the Milky-Way satellites and subhalo modeling for dark acoustic oscillations

Kensuke Akita, Shin’ichiro Ando|arXiv (Cornell University)|May 3, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 118被引用 5

一句话总结

本论文利用银河系卫星观测结果，结合基于扩展Press-Schechter形式的半解析亚结构模型（包含潮汐演化），对暗物质-中微子散射进行约束。该研究得出了目前最严格的暗物质-中微子散射截面上限，95%置信水平下，恒定截面形式的上限为 $\sigma_{ ext{DM--} u,0} < 4 \times 10^{-34}\ \text{cm}^2\ (m_{ ext{DM}}/\text{GeV})$，对于能量依赖形式的截面约束更强，显著限定了具有中微子相互作用的可行暗物质模型。

ABSTRACT

The elastic scattering between dark matter (DM) and radiation can potentially explain small-scale observations that the cold dark matter faces as a challenge, as damping density fluctuations via dark acoustic oscillations in the early universe erases small-scale structure. We study a semi-analytical subhalo model for interacting dark matter with radiation, based on the extended Press-Schechter formalism and subhalos' tidal evolution prescription. We also test the elastic scattering between DM and neutrinos using observations of Milky-Way satellites from the Dark Energy Survey and PanSTARRS1. We conservatively impose strong constraints on the DM-neutrino scattering cross section of $σ_{{ m DM} ext{-}ν,n}\propto E_ν^n$ $(n=0,2,4)$ at $95\%$ confidence level (CL), $σ_{{ m DM} ext{-}ν,0}&lt; 10^{-32}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})$, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,2}&lt; 10^{-43}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^2$ and $σ_{{ m DM} ext{-}ν,4}&lt; 10^{-54}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^4$, where $E_ν$ is the neutrino energy and $E_ν^0$ is the average momentum of relic cosmic neutrinos today, $E_ν^0 \simeq 6.1\ { m K}$. By imposing a satellite forming condition, we obtain the strongest upper bounds on the DM-neutrino cross section at $95\%$ CL, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,0}&lt; 4 imes 10^{-34}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})$, $σ_{{ m DM} ext{-}ν,2}&lt; 10^{-46}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^2$ and $σ_{{ m DM} ext{-}ν,4}&lt; 7 imes 10^{-59}\ { m cm^2}\ (m_{ m DM}/{ m GeV})(E_ν/E_ν^0)^4$.

研究动机与目标

• 为解决冷暗物质模型中的小尺度问题（如缺失卫星问题与核心-尖点问题），通过探索暗物质与辐射的相互作用来实现。
• 检验暗物质-中微子散射作为早期宇宙中通过暗声波振荡抑制小尺度结构形成的机制的可行性。
• 利用DES与PanSTARRS1最新的银河系卫星数据，推导观测约束，限制暗物质-中微子散射截面。
• 开发并应用一种半解析亚结构模型，整合潮汐剥离效应与相互作用暗物质情景下的修正临界密度。
• 将理论亚结构预测与实际观测卫星数量进行比较，以设定保守的散射截面上限。

提出的方法

• 采用扩展Press-Schechter形式，引入修正的窗函数与临界密度，以考虑暗物质-辐射相互作用，特别是暗物质-中微子散射。
• 使用半解析方法描述宿主晕中亚结构的质量损失与结构演化，纳入潮汐剥离效应。
• 使用SASHIMI代码的改进版本，计算最大圆周速度与virial质量随亚结构累积数量的关系。
• 利用DES与PanSTARRS1对270个银河系卫星星系的观测完整性校正数据，约束亚结构丰度。
• 施加卫星形成条件，以推导最保守的散射截面上限。
• 考虑与能量成比例的截面形式 $E_\nu^n$（$n=0,2,4$），归一化至平均余辉中微子能量 $E_\nu^0 \simeq 6.1\ \text{K}$。

Figure 1: The linear matter power spectra for CDM, the DM-neutrino interaction scenario with $u_{\rm DM-\nu,0}^{0}=10^{-7}$ , $u_{\rm DM-\nu,2}^{0}=10^{-20}$ and $u_{\rm DM-\nu,4}^{0}=10^{-33}$ , which are defined in eqs. ( 5 ) and ( 6 ).

实验结果

研究问题

• RQ1 目前对暗物质与中微子弹性散射截面的最强观测约束是什么？
• RQ2 暗物质-中微子散射如何通过暗声波振荡机制抑制小尺度结构？
• RQ3 观测到的银河系卫星数量在多大程度上限制了相互作用暗物质模型的参数空间？
• RQ4 不同平滑-k滤波器参数对模型中亚结构丰度预测有何影响？
• RQ5 本研究所得约束与其它天体物理中微子源或先前文献中的结果相比如何？

主要发现

• 本研究得出了目前最严格的95%置信水平下暗物质-中微子散射截面上限，恒定截面形式下为 $\sigma_{\text{DM--}\nu,0} < 4 \times 10^{-34}\ \text{cm}^2\ (m_{\text{DM}}/\text{GeV})$。
• 对于能量依赖截面，约束为 $\sigma_{\text{DM--}\nu,2} < 10^{-46}\ \text{cm}^2\ (m_{\text{DM}}/\text{GeV})(E_\nu/E_\nu^0)^2$ 与 $\sigma_{\text{DM--}\nu,4} < 7 \times 10^{-59}\ \text{cm}^2\ (m_{\text{DM}}/\text{GeV})(E_\nu/E_\nu^0)^4$。
• 该模型在不同平滑-k滤波器参数下对亚结构丰度的预测均具鲁棒性，表明其可广泛适用于各类暗物质-辐射相互作用情景。
• 引入卫星形成条件后，所得约束显著强于标准完整性校正方法，灵敏度最高提升两个数量级。
• 结果与假设 $\delta_{c,\text{IDM}} \simeq \delta_{c,\text{CDM}}$ 一致（当 $m_{\text{DM}} \gtrsim \text{MeV}$ 时），简化了计算过程且不影响最终约束结果。
• 所得约束与其它天体物理中微子源的约束相比具有竞争力或更优，凸显了银河系卫星数据在探测暗物质相互作用方面的强大潜力。

Figure 2: Cumulative number of subhalos as a function of the maximum circular velocity with the host halo mass of $M_{200}=1.6\times 10^{12}M_{\odot}$ for DM-DR interaction scenarios (ETHOS1-ETHOS3 models described in ref. [ 70 ] ). Solid lines denote our results and dashed lines denote the results