[论文解读] Cooking Pasta with Dark Matter: Kinetic and Annihilation Heating of Neutron Star Crusts

Javier F. Acevedo, Joseph Bramante+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 4

一句话总结

本文表明，中子星地壳——尤其是其奇特的核通心相——可通过暗物质散射和湮灭高效加热中子星，使探测截面低至10⁻⁴³ cm²的暗物质成为可能，适用于100 MeV至1 PeV质量范围的暗物质，而对亚GeV暗物质，通过中子超流体中的声子激发，探测截面可低至10⁻³⁹ cm²。即使缺乏核心相互作用，湮灭过程也极为高效，使地壳在探测弱相互作用暗物质方面至关重要。

ABSTRACT

Neutron stars serve as excellent next-generation thermal detectors of dark matter, heated by the scattering and annihilation of dark matter accelerated to relativistic speeds in their deep gravitational wells. However, the dynamics of neutron star cores are uncertain, making it difficult at present to unequivocally compute dark matter scattering in this region. On the other hand, the physics of an outer layer of the neutron star, the crust, is more robustly understood. We show that dark matter scattering solely with the low-density crust still kinetically heats neutron stars to infrared temperatures detectable by forthcoming telescopes. We find that for both spin-independent and spin-dependent scattering on nucleons, the crust-only cross section sensitivity is $10^{-43} - 10^{-41}$~cm$^2$ for dark matter masses of 100 MeV $-$ 1 PeV, with the best sensitivity arising from dark matter scattering with a crust constituent called nuclear pasta (including gnocchi, spaghetti, and lasagna phases). For dark matter masses from 10 eV to 1 MeV, the sensitivity is $10^{-39} - 10^{-34}$~cm$^2$, arising from exciting collective phonon modes in a neutron superfluid in the inner crust. Furthermore, for any $s$-wave or $p$-wave annihilating dark matter, we show that dark matter will efficiently annihilate by thermalizing just with the neutron star crust, regardless of whether the dark matter ever scatters with the neutron star core. This implies efficient annihilation in neutron stars for any electroweakly interacting dark matter with inelastic mass splittings of up to 200 MeV, including Higgsinos. We conclude that neutron star crusts play a key role in dark matter scattering and annihilation in neutron stars.

研究动机与目标

• 探究仅靠中子星地壳是否能在核心物理存在不确定性的情况下，提供来自暗物质散射和湮灭的可探测热信号。
• 确定仅地壳对暗物质与核子发生自旋无关和自旋相关相互作用的探测灵敏度。
• 评估核通心相（通心状、螺旋状、千层面状）在增强暗物质散射截面中的作用。
• 探讨内层地壳中子超流体中的集体声子模式对低质量暗物质（10 eV–1 MeV）探测的贡献。
• 评估在不依赖核心相互作用的情况下，s波和p波湮灭的暗物质是否能在地壳中实现有效热化。

提出的方法

• 利用已知的地壳方程态和核通心相结构，对低密度中子星地壳中的暗物质散射进行建模。
• 计算通过暗物质-核子散射中动量传递产生的动能加热速率，重点关注自旋无关和自旋相关相互作用。
• 将内层地壳中子超流体中的集体声子激发模式纳入模型，以考虑低暗物质质量下增强的能量传递。
• 使用热化与能量沉积模型，计算s波和p波末态在地壳中的湮灭速率。
• 通过观测中子星表面温度施加约束，推导出暗物质-核子截面的排除界限。
• 通过结合地壳结构、超流体性质和湮灭截面，对宽广的暗物质质量范围（10 eV–1 PeV）评估探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠中子星地壳的暗物质散射是否能在广泛的暗物质质量范围内产生可探测的热信号？
• RQ2 与均匀核物质相比，地壳中的核通心相如何增强暗物质探测的灵敏度？
• RQ3 中子超流体中的声子激发对亚GeV暗物质探测的贡献是什么？
• RQ4 在不依赖核心散射的情况下，暗物质湮灭在地壳中能实现多大程度的热化？
• RQ5 对于在地壳中发生s波和p波湮灭的暗物质，其对应的截面灵敏度是多少？

主要发现

• 对于100 MeV至1 PeV质量范围的暗物质，仅地壳散射的截面灵敏度可达10⁻⁴³–10⁻⁴¹ cm²，主要归因于与核通心相的散射。
• 对于10 eV至1 MeV质量范围的暗物质，灵敏度提升至10⁻³⁹–10⁻³⁴ cm²，归因于内层地壳中子超流体中声子激发的高效能量传递。
• s波和p波湮灭的暗物质可在地壳中实现高效热化，即使核心未发生散射，也能产生可探测的湮灭信号。
• 具有高达200 MeV的非弹性质量分裂的弱相互作用暗物质（包括希格斯ino）可通过地壳湮灭被高效探测。
• 中子星地壳作为暗物质的主要热探测器，其灵敏度与基于核心的模型相当或更优。
• 研究结果确立了地壳在未来的暗物质搜寻中具有关键作用，尤其在即将投入使用的红外望远镜支持下。