[论文解读] Insights on Dark Matter from Hydrogen during Cosmic Dawn

Julián B. Muñoz, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用 131

一句话总结

该论文探讨在宇宙黎明阶段是否存在小于百分比的暗物质量分数具有微小电荷能否冷却重子，从而解释 EDGES 的 21-cm 吸收信号，并界定来自其他观测的约束。

ABSTRACT

The origin and composition of the cosmological dark matter remain a mystery. However, upcoming 21-cm measurements during cosmic dawn, the period of the first stellar formation, can provide new clues on the nature of dark matter. During this era, the baryon-dark matter fluid is the slowest it will ever be, making it ideal to search for dark matter elastically scattering with baryons through massless mediators, such as the photon. Here we explore whether dark-matter particles with an electric "minicharge" can significantly alter the baryonic temperature and, thus, affect 21-cm observations. We find that the entirety of the dark matter cannot be minicharged at a significant level, lest it interferes with Galactic and extragalactic magnetic fields. However, if minicharged particles comprise a subpercent fraction of the dark matter, and have charges $ε\sim 10^{-6}$---in units of the electron charge---and masses $m_χ\sim 1-60$ MeV, they can significantly cool down the baryonic fluid, and be discovered in 21-cm experiments. We show how this scenario can explain the recent result by the EDGES collaboration, which requires a lower baryonic temperature than possible within the standard model, while remaining consistent with all current observations.

研究动机与目标

• 使用宇宙黎明的 21-cm 信号来动机化非引力性 DM-重子相互作用的探索。
• 量化一个微带电 DM 分数如何影响重子温度和 21-cm 可观测量。
• 识别与 EDGES 和现有约束相容的参数区域（质量、电荷、分数占比）。
• 评估伴随的 21-cm 粒度扰动以及未来实验的潜在可检测性。

提出的方法

• 将 DM-重子弹性散射建模为无质量介质，导致动量传输截面 兀_abardot t = 2    \\
• research_questions:[
• 能否存在一个具有小电磁微带电的亚百分比黑暗物质分数，在宇宙黎明阶段显著冷却重子气体？
• 哪些 ε 与 DM 质量 m_{ chi} 的区域允许足够的冷却而不违反外部约束？
• DM-重子相互作用将如何改变 EDGES 时代 epoch 的 21-cm 暗亮温度及其扰动？
• 所需的微带电 DM 情景是否与遗留丰度及其他天体/宇宙学界限相容？

实验结果

研究问题

• RQ1 Can a subpercent fraction of dark matter with a small electromagnetic minicharge significantly cool the baryonic gas during cosmic dawn?
• RQ2 What regions of the minicharge epsilon and DM mass m_{ chi} allow sufficient cooling without violating external constraints?
• RQ3 How would DM-baryon interactions modify the 21-cm brightness temperature and its fluctuations during the EDGES-era epoch?
• RQ4 Are the required minicharged DM scenarios compatible with relic abundance and other astrophysical/cosmological bounds?

主要发现

• 亚百份之一分量 f_{dm} e 10^{-2} 的微带电 DM，电荷
  10^{-6} 且质量 m_{ chi}  10 MeV 可以显著冷却重子流体。
• 达到重子冷却所需的微带电量大致随 m_{ chi} 的变化呈现 1)  m_{ chi}，当 m_{ chi} < 6 GeV  f_{dm}；论文给出一个经验关系 b ¼fractional result 6 epsilon(m_{ chi}, f_{dm})
  7 6  10^{-7} (m_{ chi}/MeV) (f_{dm}/10^{-2})^{-3/4}。
• EDGES 的结果，若在 z  17 时需要 T_b  4 K，在标准宇宙学框架下若微带电 DM 出现在给定区域，则可与之和解，同时仍与其他界限相容。
• 微带电 DM 不是全部 DM；不过，即使只是很小的分量，它也能影响 T^{21} 并诱发大约 1% 天空平均信号量级的额外 21-cm 波动，潜在被 HERA 或 SKA 探测。
• 来自 SN1987A、BBN、CMB N_eff 与遗传丰度的约束通常排除了 f_{dm}=1 的大范围参数空间，但在 f_{dm} e 10^{-2} 且 0^{-6} (m_{ chi}/{ m MeV})^{0.3} 的尺度下仍留有可行区域。
• 如果微带电分量通过冷却气体一个因子两倍来实现冷却，则 21-cm 信号相对于标准模型预测可能变得更深，在给定参数窗口内与当前观测相容。