[论文解读] Joint constraints on thermal relic dark matter from a selection of astrophysical probes

Wolfgang Enzi, Riccardo Murgia+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究结合强引力透镜效应、莱曼-α森林以及银河系卫星计数，基于热退行粒子假设，对温暗物质（WDM）施加联合约束。研究得出95%置信度上限为 λ_hm ≤ 0.079 Mpc h⁻¹（M_hm ≤ 6.733 keV），排除了7.1 keV惰性中微子与ETHOS-4自相互作用暗物质模型，并强调在更低的半模态尺度上需要更紧的约束。

ABSTRACT

We derive joint constraints on the warm dark matter (WDM) half-mode scale by combining the analyses of a selection of astrophysical probes: strong gravitational lensing with extended sources, the Lyman-$\alpha$ forest, and the number of luminous satellites in the Milky Way. We derive an upper limit of $\lambda_{ m hm}=0.079{ m~Mpc~h^{-1} }$ at the 95 per cent confidence level, which we show to be stable for a broad range of prior choices. Assuming a Planck cosmology and that WDM particles are thermal relics, this corresponds to an upper limit on the half-mode mass of $M_{ m hm } 6.733 { m~keV}$, both at the 95 per cent level. We find that models with $\lambda_{ m hm}> 0.220 { m~Mpc~h^{-1} }$ (corresponding to $m_{ m th }> 2.682 { m~keV}$ and $M_{ m hm} 10$, we rule out the $7.1 { m~keV}$ sterile neutrino dark matter model, which presents a possible explanation to the unidentified $3.55 { m~keV}$ line. The inferred 95 percentiles suggest that we further rule out the ETHOS-4 model of self-interacting DM. Our results highlight the importance of extending the current constraints to lower half-mode scales. We address important sources of systematic errors and provide prospects for how constraints of these probes can be improved upon in the future.

研究动机与目标

• 通过多种天体物理探针联合推导温暗物质（WDM）的约束，以增强对系统误差的鲁棒性。
• 检验热退行WDM模型（特别是惰性中微子与自相互作用暗物质）在观测数据下的可行性。
• 评估在广泛先验选择下约束结果的稳定性，并识别主要的系统误差来源。
• 为未来通过当前及未来探测器提升数据与建模质量，提供改善半模态尺度约束的路径。

提出的方法

• 结合强引力透镜与扩展源观测，探测物质功率谱中小尺度功率抑制。
• 引入莱曼-α森林的约束，以探测热历史与小尺度结构形成。
• 利用银河系中可见卫星的数量，约束亚晕质量函数与WDM抑制尺度。
• 在Planck宇宙学框架下，采用贝叶斯方法联合多种探针，假设WDM粒子为热退行粒子。
• 以半模态尺度 λ_hm 作为关键参数表征WDM抑制，通过标准WDM标度关系由 λ_hm 推导出 M_hm。
• 在广泛先验分布范围内执行敏感性测试，以评估最终约束的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合强引力透镜、莱曼-α森林与卫星计数时，温暗物质半模态尺度 λ_hm 的最紧联合约束是什么？
• RQ2 这些约束在WDM模型参数先验假设变化下是否稳定？
• RQ3 具体而言，7.1 keV惰性中微子与ETHOS-4自相互作用暗物质等热退行WDM模型是否被联合数据排除？
• RQ4 当前WDM约束中，影响最大的系统误差来源是什么？
• RQ5 未来如何通过提升数据质量与建模精度，进一步收紧对更低值半模态尺度的约束？

主要发现

• 联合分析得出95%置信度上限为 λ_hm ≤ 0.079 Mpc h⁻¹，且在广泛先验选择下保持稳定。
• 在Planck宇宙学框架下，该结果对应于半模态质量上限 M_hm ≤ 6.733 keV（95%置信水平）。
• 由于7.1 keV惰性中微子暗物质模型预测的半模态尺度超出推导出的上限，该模型在95%置信水平下被排除。
• 基于推导出的约束，ETHOS-4自相互作用暗物质模型也在95%置信水平下被排除。
• 结果强调了将约束扩展至更低半模态尺度的重要性，以进一步检验WDM及其它暗物质模型。
• 识别并处理了来自各探测器特异性不确定性的系统误差，未来可通过更高分辨率数据与更精细建模实现进一步改进。