[论文解读] Reducing cosmological small scale structure via a large dark matter-neutrino interaction: constraints and consequences

Bridget Bertoni, Seyda Ipek+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用 11

一句话总结

本文提出一个可重整化的模型，其中一种惰性中微子主要与陶中微子混合，以介导强烈的暗物质-中微子相互作用，从而抑制小尺度结构的形成。通过保持暗物质在约10 MeV时仍与等离子体保持动量平衡，该模型为暗物质晕设定了$10^7$–$10^9~M_\odot$的截断质量，从而以约50–100 MeV的暗物质候选者和约100 MeV的惰性中微子（具有显著的$\tau$-中微子成分）解决了缺失卫星问题。

ABSTRACT

Cold dark matter explains a wide range of data on cosmological scales. However, there has been a steady accumulation of evidence for discrepancies between simulations and observations at scales smaller than galaxy clusters. Solutions to these small scale structure problems may indicate that simulations need to improve how they include feedback from baryonic matter, or may imply that dark matter properties differ from the standard cold, noninteracting scenario. One promising way to affect structure formation on small scales is a relatively strong coupling of dark matter to neutrinos. We construct an experimentally viable, simple, renormalizable, model with new interactions between neutrinos and dark matter. We show that addressing the small scale structure problems requires dark matter with a mass that is tens of MeV, and a present-day density determined by an initial particle-antiparticle asymmetry in the dark sector. Generating a sufficiently large dark matter-neutrino coupling requires a new heavy neutrino with a mass around 100 MeV. The heavy neutrino is mostly sterile but has a substantial $τ$ neutrino component, while the three nearly massless neutrinos are partly sterile. We provide the first discussion of how such dark matter-neutrino interactions affect neutrino (especially $τ$ neutrino) phenomenology. This model can be tested by future astrophysical, particle physics, and neutrino oscillation data. A feature in the neutrino energy spectrum and flavor content from a future nearby supernova would provide strong evidence of neutrino-dark matter interactions. Promising signatures include anomalous matter effects in neutrino oscillations due to nonstandard interactions and a component of the $τ$ neutrino with mass around 100 MeV.

研究动机与目标

• 通过抑制小尺度结构形成，解决冷暗物质范式中的缺失卫星问题。
• 构建一个可重整化且实验上可行的模型，具有强烈的暗物质-中微子相互作用，同时与宇宙学和粒子物理约束保持一致。
• 在天体物理和粒子物理实验中识别此类相互作用的可观测信号，特别是涉及陶中微子和惰性中微子的信号。
• 探讨在非标准中微子相互作用背景下，一种质量较大且主要成分为惰性中微子、但具有显著$\tau$-中微子成分的中微子的物理后果。

提出的方法

• 引入一个可重整化的理论，包含一种新的重惰性中微子，其与活性中微子混合，从而实现强烈的暗物质-中微子散射。
• 利用动量解耦温度$T_d \sim \Lambda (m_\chi / M_{\rm Pl})^{1/4}$确定结构抑制的尺度，将$T_d$与截断晕质量$M_{\rm cutoff} \sim 10^8 M_\odot (\rm keV / T_d)^3$联系起来。
• 施加较大的混合$|U_{\tau 4}|^2 \sim 0.1$以获得足够的散射截面，要求惰性中微子质量约为100 MeV，且暗物质候选者质量约为50–100 MeV。
• 分析该重惰性中微子对中微子振荡现象学的影响，包括短基线实验中的异常物质效应和非标准相互作用。
• 评估通过未来超新星中微子信号检测该模型的潜力，特别是能量谱和味成分的畸变。
• 评估轻子味违反过程（如$\tau \to \mu\gamma$、$\mu \to e\gamma$和$\mu \to e$转换）的潜力，这些过程因大质量惰性中微子而被增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 强烈的暗物质-中微子相互作用是否能够抑制小尺度结构形成，从而解决缺失卫星问题？
• RQ2 在可重整化模型中，为实现必要的散射截面，对惰性中微子和暗物质候选者的性质有何要求？
• RQ3 此类相互作用如何改变中微子振荡现象学，特别是在短基线实验中？
• RQ4 具有显著$\tau$-中微子成分的重、主要为惰性的中微子可能产生哪些可观测信号？
• RQ5 未来的超新星中微子观测能否探测到暗物质-中微子散射的痕迹？

主要发现

• 当暗物质在约10 MeV的解耦温度下仍保持动量平衡时，可实现$10^7$–$10^9~M_\odot$的截断晕质量，与解决缺失卫星问题一致。
• 该模型要求暗物质候选者质量为数十MeV，且惰性中微子质量约为100 MeV，通过$|U_{\tau 4}|^2 \sim 0.1$主要与$\tau$中微子混合。
• 该惰性中微子虽主要为惰性，但含有显著的$\tau$-中微子成分，因此在$\nu_\mu \to \nu_\tau$振荡实验（如MINSIS）中可产生可探测信号。
• 未来对附近超新星的观测可能揭示由于与暗物质散射导致的中微子能量谱和味成分的畸变，为该模型提供有力证据。
• 该模型预测轻子味违反过程（如$\tau \to \mu\gamma$和$\mu \to e\gamma$）的速率显著增强，且未来实验的灵敏度有望大幅提升。
• 由于重惰性中微子成分，中微子振荡中的非标准物质效应可在短基线实验中被探测，为该模型提供直接检验手段。