[论文解读] Probing below the neutrino floor with the first generation of stars

Cosmin Ilie, Caleb Levy+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 14

一句话总结

本文提出利用早期第一代恒星（Pop III星）的观测来约束暗物质（DM）-核子相互作用，利用其高暗物质密度环境。通过分析一个红移 z∼7 的候选 Pop III 星系统，作者得出了目前最严格的自旋无关与自旋相关暗物质-质子散射截面限制，探测至中微子背景以下——这对未来直接探测实验至关重要。

ABSTRACT

We show that the mere observation of the first stars (Pop III stars) in the universe can be used to place tight constraints on the strength of the interaction between dark matter and regular, baryonic matter. We apply this technique to a candidate Pop III stellar complex discovered with the Hubble Space Telescope at $z \sim 7$ and find bounds that are competitive with, or even stronger than, current direct detection experiments, such as XENON1T, for dark matter particles with mass ($m_X$) larger than about $100$ GeV. We also show that the discovery of sufficiently massive Pop III stars could be used to bypass the main limitations of direct detection experiments: the neutrino background to which they will be soon sensitive.

研究动机与目标

• 建立一种新颖的天体物理方法，利用第一代恒星（Pop III星）约束暗物质相互作用。
• 克服直接探测实验的局限性，特别是即将限制地面探测灵敏度的中微子背景。
• 在广泛的暗物质质量范围内，对自旋无关与自旋相关暗物质-质子散射截面提供更紧的约束。
• 证明大质量 Pop III星可探测当前直接探测实验无法触及的参数空间，尤其在中微子背景以下。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜数据识别的 z∼7 红移处候选 Population III 星系统观测到的特性。
• 应用暗物质在原初恒星环境中捕获与加热的理论模型，假设暗物质发生自湮灭。
• 采用流体动力学模拟与绝热压缩的 NFW 暗物质剖面，估算 Pop III 星周围的局部暗物质密度。
• 计算暗物质捕获率与恒星中的能量沉积，将可观测的恒星质量与光度与暗物质-核子截面的约束联系起来。
• 通过要求暗物质湮灭产生的能量不会破坏恒星稳定性，推导出暗物质-质子散射截面的排除限制。
• 同时考虑自旋无关与自旋相关相互作用，边界结果覆盖广泛的暗物质密度范围（ρX ∼ 10^13–10^16 GeV cm⁻³）。

实验结果

研究问题

• RQ1 对 Population III 星的观测能否为暗物质-核子散射截面提供新的约束？
• RQ2 Pop III 星在多大程度上能探测直接探测实验中的中微子背景以下的参数空间？
• RQ3 为使 Pop III 星能将暗物质相互作用约束至中微子背景水平，所需的最小暗物质密度是多少？
• RQ4 不同恒星质量（如 300 M⊙、1000 M⊙）如何影响对暗物质相互作用强度的探测灵敏度？
• RQ5 詹姆斯·韦伯空间望远镜发现大质量 Pop III 星，能否实现对以往无法探测的暗物质参数空间的探测？

主要发现

• 该研究获得了目前最紧的自旋无关与自旋相关暗物质-质子散射截面约束，适用于传统 WIMP 窗口以外的暗物质质量范围。
• 对于 1000 M⊙ 的 Pop III 星，当局部暗物质密度超过 ρX ∼ 10^17 GeV cm⁻³ 时，该方法可探测至中微子背景以下的暗物质-质子截面。
• 即使在保守的暗物质密度下（ρX ∼ 10^13 GeV cm⁻³），该约束也排除了自旋相关相互作用中此前未被探索的广阔参数空间。
• 对于自旋无关相互作用，当 ρX ∼ 10^14 GeV cm⁻³ 时，约束在质量高于 ∼10⁵ GeV 的区域已与 XENON1T 实验结果相当。
• 该方法为每种恒星质量识别出一个临界暗物质密度 ρX;nf，使得恒星的存在可排除所有低至中微子背景水平的暗物质截面。
• 结果表明，未来利用詹姆斯·韦伯空间望远镜对大质量 Pop III 星的观测，有望成为探测中微子背景以下暗物质的强有力新工具，超越当前地面实验的限制。