[论文解读] Self-Interacting Dark Matter

B. D. Wandelt, Romeel Davé+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2000

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 21

一句话总结

本文提出自相互作用暗物质（SIDM）作为解决无碰撞冷暗物质（CCDM）模拟与亚星系尺度观测之间差异的方案，例如核心型晕密度分布和多余子结构。通过数值模拟表明，自相互作用截面为0.1–6 cm²/g的SIDM比CCDM更符合观测结果，同时重新评估实验约束，确定在10⁵ GeV以上的质量范围内存在可行参数区间，截面接近10⁻²⁴ cm²。

ABSTRACT

Spergel and Steinhardt have recently proposed the concept of dark matter with strong self-interactions as a means to address numerous discrepancies between observations of dark matter halos on subgalactic scales and the predictions of the standard collisionless dark matter picture. We review the motivations for this scenario and discuss some recent, successful numerical tests. We also discuss the possibility that the dark matter interacts strongly with ordinary baryonic matter, as well as with itself. We present a new analysis of the experimental constraints and re-evaluate the allowed range of cross-section and mass.

研究动机与目标

• 为解决无碰撞冷暗物质（CCDM）模拟与亚星系尺度观测之间的观测差异，例如核心型晕密度分布和多余子结构。
• 评估自相互作用暗物质（SIDM）是否可通过两体散射实现能量传递与核心形成，从而解决这些差异。
• 重新分析暗物质与普通物质相互作用及自相互作用的实验约束，特别是来自宇宙射线和X射线探测器的数据。
• 识别具有强自相互作用和非可忽略的强子耦合能力的暗物质候选者的可行参数空间。
• 在更新的实验限制下，评估奇异夸克团和轴子等奇异强子暗物质候选者的可行性。

提出的方法

• 通过自相互作用截面在0.1至6 cm²/g之间的SIDM晕的数值模拟，检验其与观测到的晕密度分布和子结构分布的一致性。
• 该模型的核心在于暗物质粒子之间的两体散射，使中心区域热化，从而形成核心型分布，而非无碰撞冷暗物质模型所预测的尖锐NFW型分布。
• 对IMP7/8、IMAX、XQC、先驱者11号和天空实验室的实验数据进行重新分析，校正屏蔽效应和覆盖层影响，以提高排除限的精度。
• 通过理论建模暗物质-质子和暗物质-暗物质散射截面，以约束可行参数空间，尤其关注奇异强子。
• 将X射线量子计数器（XQC）实验作为意外暗物质探测器进行分析，因其具有低能量阈值（25 eV）和高灵敏度，提供了新的约束。
• 比较自相互作用与强子相互作用截面之比（σDD/m 和 σDp/m），识别出两者可能相近的区域，如某些奇异强子模型所示。

实验结果

研究问题

• RQ1 自相互作用能否解决低面亮度星系和矮星系中观测到的尖核-核心问题？
• RQ2 自相互作用暗物质模型是否能减少子晕数量，缓解星系晕中的缺失卫星问题？
• RQ3 对暗物质与质子相互作用及自相互作用的最新实验约束是什么，特别是来自未被充分利用或重新评估的数据？
• RQ4 在包含自相互作用的情况下，奇异夸克团等奇异强子暗物质候选者是否仍能通过实验约束？
• RQ5 是否存在满足宇宙学模拟和观测限制的暗物质质量与截面可行范围？

主要发现

• 自相互作用截面在0.1至6 cm²/g之间的SIDM数值模拟产生与低面亮度星系和矮星系中观测到的核心型密度分布一致的晕分布，成功解决了尖核-核心问题。
• SIDM晕的Tully-Fisher关系零点更符合观测，其浓度较低（c ≈ 3–8），而无碰撞冷暗物质模型预测的浓度较高（c ≈ 20）。
• 尽管X射线量子计数器（XQC）实验并非专为探测暗物质而设计，但其提供了迄今为止最强的约束，排除了质量在0.3 GeV至10⁵ GeV之间、截面接近10⁻²⁴ cm²的大部分参数空间。
• 对先驱者11号和天空实验室数据的重新评估，包括屏蔽和覆盖层效应的校正，缩小了先前声称的排除区域，重新开放了高质量暗物质（10⁴–10¹⁷ GeV）且具有强自相互作用的参数空间。
• 研究排除了质量接近1 GeV、截面接近10⁻²⁴ cm²的奇异强子暗物质候选者，消除了部分最具吸引力的模型。
• 对于质量高于10⁵ GeV、自相互作用截面在0.1–6 cm²/g范围内的暗物质，仍存在可行的参数空间，与模拟和实验约束均一致。