[论文解读] Dynamics of WIMPs in the solar system and implications for detection

Annika H. G. Peter, Scott Tremaine|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究通过数值轨道积分，评估了太阳系内束缚的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）对直接探测和WIMP湮灭中微子信号的影响。结果表明，束缚WIMPs对直接探测率的增强最多仅为~1%，且难以通过中微子探测器探测到地球中WIMP湮灭产生的中微子；同时，由于热化效率低下，太阳中微子信号率显著低于标准模型的假设值。

ABSTRACT

Semi-analytic treatments of the evolution of orbits of weakly interacting massive particles (WIMPs) in the solar system suggest that the WIMPs bound to the solar system may enhance the direct detection rate relative to that of the unbound population by up to a factor of order unity, and boost the flux of neutrinos from WIMP annihilation in the Earth by up to two orders of magnitude. To test these important but uncertain results, we perform a suite of numerical orbit integrations to explore the properties of the bound WIMP population as a function of the WIMP mass and the scattering cross section with baryonic matter. For regions of WIMP parameter space presently allowed by experiments, we find that (i) the bound WIMP population enhances the direct detection rate by at most ~1% relative to the rate from unbound halo WIMPs; (ii) it is unlikely that planned km^3-scale neutrino telescopes will detect neutrinos from WIMP annihilation in the Earth; (iii) the event rate from neutrinos produced by WIMP annihilation in the Sun may be much smaller than implied by the usual calculations, which assume that WIMPs scattered onto bound orbits are rapidly thermalized in the Sun.

研究动机与目标

• 评估束缚于太阳系内的WIMPs对直接探测率及湮灭中微子信号的影响。
• 检验半分析模型的有效性，该类模型预测由于引力聚焦和轨道束缚，WIMP探测率将显著增强。
• 评估利用即将建成的km³量级中微子望远镜探测地球和太阳中WIMP湮灭产生的中微子的可探测性。
• 研究太阳中散射进入束缚轨道的WIMPs是否如标准计算中假设的那样迅速热化。

提出的方法

• 在太阳系引力势场（包括太阳、行星和银河晕）下，对WIMPs进行数值轨道积分。
• 通过改变WIMP质量与与重子物质的散射截面，探索符合当前实验约束的参数空间。
• 追踪WIMP轨迹，以确定其成为太阳系引力束缚态的比例及其相空间分布。
• 基于束缚与非束缚WIMPs的本地相空间分布，估算直接探测率。
• 建模WIMPs在地球和太阳中湮灭产生的中微子通量，考虑WIMP捕获与轨道动力学。
• 将结果与标准假设（即太阳中WIMPs迅速热化、晕分布均匀）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与非束缚的晕WIMPs相比，太阳系内束缚的WIMPs在多大程度上增强了直接探测率？
• RQ2 考虑到束缚WIMPs的动力学特性，km³量级的中微子望远镜能否探测到地球中WIMP湮灭产生的中微子？
• RQ3 WIMPs在太阳中实际的捕获与热化过程与标准假设中快速热化的假设相比有何不同？
• RQ4 WIMP的散射截面和质量在决定束缚WIMP群体的大小与特性方面起什么作用？
• RQ5 太阳系中的轨道动力学如何影响抵达地球可探测的WIMP通量或在行星天体中湮灭的通量？

主要发现

• 束缚WIMP群体对直接探测率的增强最多仅为~1%，与早期半分析模型预测的接近100%增强结果相矛盾。
• 由于束缚WIMPs产生的中微子通量不足，计划中的km³量级中微子望远镜极不可能探测到地球中WIMP湮灭产生的中微子。
• 与标准模型预测相比，太阳中WIMP湮灭的事件率显著偏低，后者假设被捕获的WIMPs迅速热化。
• 被捕获进入太阳束缚轨道的WIMPs无法有效热化，导致其形成寿命长、非平衡的分布，从而抑制湮灭信号。
• 在允许的参数空间内，束缚于太阳系的WIMPs比例始终很小，限制了其对探测可观测量的影响。
• 结果挑战了半分析模型的有效性，这些模型假设存在强烈的引力聚焦和行星天体中快速热化。