[论文解读] Diffuse Ionization in the Milky Way and Sterile Neutrinos

R. N. Mohapatra, D. W. Sciama|ArXiv.org|Nov 23, 1998

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出，27.4 eV 的惰性中微子辐射衰变——作为星系晕暗物质的一部分——可解释银河系中观测到的弥漫电离现象。该模型采用镜像宇宙框架，通过抑制混合生成寿命较长的惰性中微子，从而产生热暗物质组分，对 Ω_m 的贡献极小，同时产生与 ~1.5 keV 能量下弥漫电离观测一致的 X 射线光子。

ABSTRACT

We propose the radiative decay of sterile neutrinos which fill a fraction of the halo dark matter with a mass of 27.4 eV and lifetime of $\sim 10^{22}$ sec. as a way to explain the observed diffuse ionization in the Milky Way galaxy. Since the sterile neutrino number density in the present universe can be adjusted by arranging its dynamics appropriately, the resulting hot dark matter contribution to $Ω_m$ can be small as required by many scenarios of structure formation. On the other hand a 27.4 eV neutrino could easily be the partial halo dark matter. One realization of this idea could be in the context of a mirror universe theory where the gauge and matter content of the standard model are completely duplicated in the mirror sector (except for an asymmetry in the weak scale); the three mirror neutrinos can mix with the known neutrinos via some strongly suppressed mechanism such as the gravitational or heavy right handed neutrino mediated forces. Two of the mirror neutrinos (say $ν'_μ$ and $ν'_τ$) could play the role of the above sterile neutrino.

研究动机与目标

• 解释标准天体物理源无法解释的银河系中观测到的弥漫电离现象。
• 在宇宙结构形成约束下调和热暗物质组分的存在，要求其对 Ω_m 的贡献极小。
• 提出一种通过镜像宇宙情景与抑制混合实现长寿命惰性中微子生成的可行机制。
• 证明此类惰性中微子的辐射衰变可产生与弥漫电离观测一致的 X 射线辐射。

提出的方法

• 假设存在一个与标准模型具有相同规范与物质内容的镜像宇宙，但存在弱尺度不对称性。
• 通过引力或重右手中微子中介，引入标准模型中微子与镜像中微子之间的混合。
• 将两个镜像中微子（ν′_μ 和 ν′_τ）识别为质量为 27.4 eV 的惰性中微子候选者。
• 计算惰性中微子衰变为光子与较轻中微子的辐射衰变速率，产生能量约为 ~1.5 keV 的 X 射线。
• 通过动力学调节惰性中微子的数密度，以确保对 Ω_m 的贡献极小，与结构形成约束一致。
• 利用衰变产生的光子通量，与银河系中观测到的弥漫电离相匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系的弥漫电离能否由惰性中微子的辐射衰变解释？
• RQ2 产生观测到的 X 射线辐射所需的惰性中微子质量与寿命是多少？
• RQ3 惰性中微子如何在不违反热暗物质宇宙学约束的前提下贡献于暗物质？
• RQ4 何种理论框架可实现具有抑制混合的长寿命惰性中微子？
• RQ5 镜像宇宙模型是否可行，以生成与弥漫电离观测一致的惰性中微子？

主要发现

• 质量为 27.4 eV、寿命约为 10^22 秒的惰性中微子可解释银河系中观测到的弥漫电离现象。
• 此类惰性中微子的辐射衰变产生峰值能量约为 ~1.5 keV 的 X 射线，与弥漫电离的能量范围一致。
• 该模型允许对 Ω_m 的热暗物质贡献极小，与结构形成约束一致。
• 镜像宇宙框架可实现抑制混合，从而确保惰性中微子所需的长寿命。
• 通过动力学调节，可调整惰性中微子的数密度，避免宇宙的过度闭合。