[论文解读] Phenomenology of a Neutrino-DM Coupling: The Scalar Case

Céline Bœhm, A. Olivares-Del Campo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文研究了一种通过狄拉克费米子中介子与左手性中微子耦合的标量暗物质（DM）候选者，分析了其在热剩留丰度和大尺度结构中碰撞阻尼方面的宇宙学约束。研究发现，无论耦合强度如何，复标量DM的质量必须超过8.14 keV，实标量DM的质量必须超过18.1 eV，才能同时满足这两项约束；对于DM质量大于10 MeV的情况，来自普朗克卫星有效中微子种类数测量的约束更为严格。

ABSTRACT

Dark matter (DM) and neutrinos are the two most compelling pieces of evidence of new physics beyond the Standard Model of Particle Physics but these are often treated as belonging to two different sectors. Yet DM-neutrino interactions are known to have cosmological consequences. Here, we study the scenario of a scalar DM candidate coupled to left-handed neutrinos via a Dirac mediator. We determine the mass of a DM candidate that yields the right DM relic abundance in a thermal scenario and it is consistent with large-scale structure formation. In order to satisfy both constraints, a complex DM candidate should have a mass larger than $8.14$ keV while the mass of a real DM candidate should be above $18.1$ eV, independently of the value of the DM-neutrino coupling.

研究动机与目标

• 探讨通过狄拉克中介子与左手性中微子相互作用的标量DM候选者的宇宙学可行性。
• 确定满足热剩留密度和大尺度结构约束所需的最小DM质量。
• 评估中微子探测、剩留丰度和结构形成作为DM-中微子相互作用探测手段的互补性。
• 在宇宙学约束下建立DM和中介粒子质量的模型无关下限。

提出的方法

• 采用简化有效场论，通过Yukawa相互作用使狄拉克中介子将标量DM与左手性中微子耦合。
• 计算DM到中微子的热平均湮灭截面⟨σv⟩，以匹配观测到的剩留密度ΩDMh² = 0.1188。
• 评估DM与中微子之间的弹性散射截面σel，以约束大尺度结构中的碰撞阻尼。
• 应用来自超级神冈探测器的超新星遗迹中微子搜索结果以及普朗克卫星的有效中微子种类数的约束。
• 在mν → 0的假设下，推导出⟨σv⟩和σel关于DM质量、中介子质量和耦合常数g的解析表达式。
• 将推导出的截面与观测约束进行比较，得出可行DM候选者的模型无关质量限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过热冻结过程实现观测到的剩留密度的标量DM候选者，其最小质量是多少，才能同时与大尺度结构观测一致？
• RQ2 DM-中微子弹性散射截面如何影响碰撞阻尼和小尺度结构的抑制？
• RQ3 超级神冈探测器数据中未观测到单能中微子通量，这对复标量DM和实标量DM的DM-中微子耦合施加了何种约束？
• RQ4 在低速情况下，湮灭截面中的p波和d波抑制效应如何影响剩留密度的计算？
• RQ5 当DM与中微子处于热平衡时，对有效中微子种类数的影响是什么？这又如何约束DM质量？

主要发现

• 对于复标量DM，为同时满足剩留密度和碰撞阻尼约束，其最小质量必须达到8.14 keV，且该结果与DM-中微子耦合强度无关。
• 对于实标量DM，为满足相同约束，其最小质量必须达到18.1 eV，同样与耦合强度无关。
• 弹性散射截面的碰撞阻尼约束在DM质量超过8.14 keV（复标量）或18.1 eV（实标量）时最为严格，且实标量DM的约束更紧，因其具有更高阶的速度假设依赖性。
• 普朗克卫星对有效中微子种类数的测量对DM质量施加了更强的下限，要求mDM > 10 MeV（复标量和实标量DM均适用），对应中介子质量需满足mN > 3.55 GeV（复标量）和mN > 0.14 GeV（实标量）。
• 在低速情况下，湮灭截面受p波和d波因子抑制，导致中微子探测器难以约束重DM，除非是复标量DM情形。
• 在简并区域（mDM ≈ mN）中，由于共振行为，弹性散射截面增强，导致在mN–mDM平面上沿对角线出现显著增强。