[论文解读] Neutrino Portal Dark Matter: From Dwarf Galaxies to IceCube

John F. Cherry, Alexander Friedland+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 43

一句话总结

本文提出了一种具有隐藏U(1)规范对称性的中微子亲和型暗物质模型，其中暗物质与一个与标准模型无关的中微子发生相互作用，通过一个轻的MeV量级的媒介子实现。该模型通过中微子混合驱动的晚期动量解耦，解决了小尺度暗物质问题，同时预测了超高能中微子传播的可观测修正——可能通过IceCube的高能中微子通量和源相关性被探测到。

ABSTRACT

It has been suggested that the baseline scenario of collisionless cold dark matter over-predicts the numbers of satellite galaxies, as well as the dark matter (DM) densities in galactic centers. This apparent lack of structure at small scales can be accounted for if one postulates neutrino-DM and DM-DM interactions mediated by light O(MeV) force carriers. In this letter, we consider a simple, consistent model of neutrinophilic DM with these features where DM and a "secluded" SM-singlet neutrino species are charged under a new $U(1)$ gauge symmetry. An important ingredient of this model is that the secluded sector couples to the Standard Model fields only through neutrino mixing. We observe that the secluded and active neutrinos recouple, leading to a large relic secluded neutrino population. This relic population can prevent small-scale halos from collapsing, while at same time significantly modifying the optical depth of ultra-high-energy neutrinos recently observed at Icecube. We find that the bulk of the parameter space accommodating an (a)symmetric thermal relic has potentially observable consequences for the IceCube high energy signal, with some of the parameter ranges already ruled out by the existing data. Future data may confirm this mechanism if either spectral absorption features or correlations with nearby sources are observed.

研究动机与目标

• 通过引入MeV量级媒介子的自相互作用暗物质，解决冷暗物质模拟中的尖锐核心、缺失卫星和过大而无法形成等问题。
• 探索一种中微子亲和型暗物质模型，其中暗区仅通过中微子混合与标准模型耦合，避免直接耦合及其带来的约束。
• 研究由于活性-隐蔽混合导致的隐蔽中微子的遗迹丰度及其在晚期的重新耦合，增强其种群数量并影响结构形成。
• 评估该模型对超高能中微子传播的可观测影响，特别是与IceCube高能中微子数据的相关性。
• 确定模型能同时解决小尺度暗物质问题并被未来IceCube观测检验的参数空间。

提出的方法

• 构建一个具有暗物质费米子和一个隐蔽右手中微子的U(1)规范对称模型，二者均带有新的规范群的荷。
• 通过活性与隐蔽中微子之间的中微子混合实现暗区与标准模型的相互作用，使早期宇宙中实现热接触。
• 基于DM-中微子散射的动量弛豫率，使用Gondolo等人（2012）的方法，结合费米-狄拉克统计与泡利不相容原理，计算动量解耦。
• 利用混合诱导的截面计算超高能中微子由于与遗迹隐蔽中微子背景散射而产生的平均自由程。
• 通过哈勃速率与散射速率的平衡关系推导出动量解耦温度，精确表达式来自相空间积分。
• 评估对称与非对称热遗迹的参数空间，重点关注低暗物质质量区域，此时微扰自相互作用是可行的。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有MeV量级媒介子的中微子亲和型暗物质模型能否解决矮星系中尖锐核心与缺失卫星问题？
• RQ2 活性与隐蔽中微子之间的中微子混合在多大程度上导致了显著的隐蔽中微子遗迹种群？其对结构形成有何影响？
• RQ3 暗物质的自相互作用与超高能中微子在遗迹隐蔽中微子背景上的散射，如何改变IceCube处可观测的中微子通量？
• RQ4 能够解决小尺度暗物质问题的参数空间中，有多少比例可通过当前或未来IceCube数据检验？
• RQ5 IceCube高能中微子事例与附近BL Lac源之间的相关性，能否为隐蔽中微子散射引起的吸收提供证据？

主要发现

• 由于通过中微子混合实现的晚期重新耦合，该模型预测隐蔽中微子的遗迹种群显著增强，其数密度超过以往估计。
• 暗物质的动量解耦温度为 $ T_{KD} \approx 0.067~{\rm keV} \cdot \left( \frac{1}{N_{\nu}^{1/4} (g_X g_\nu)^{1/2}} \right) \left( \frac{m_X}{{ \rm TeV}} \right)^{1/4} \left( \frac{m_\phi}{1~{\rm MeV}} \right) $，与早期工作一致，但扩展至非对称暗物质。
• 能够解决小尺度暗物质问题（特别是缺失卫星问题）的参数空间，处于超高能中微子因与遗迹隐蔽中微子背景散射而经历可测量吸收的区域。
• 可观测参数空间的显著部分已被现有IceCube数据约束或排除，特别是在具有强烈能谱吸收特征的区域。
• 若未来IceCube数据中观测到高能中微子事例与附近BL Lac源之间的相关性，可能证实该模型，因为这将表明中微子被隐蔽中微子背景吸收。
• 该模型为小尺度暗物质结构与高能中微子天体物理学之间提供了独特且可检验的联系，通过中微子望远镜为暗区提供了一种新颖的探测途径。