[论文解读] Towards Testing Sterile Neutrino Dark Matter with SRG Mission

V. V. Barinov, Dmitry Gorbunov+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文评估了SRG任务通过其向光子和活性中微子的辐射衰变来检验keV量级惰性中微子暗物质的潜力。利用eROSITA和ART-XC的数据，研究显示SRG在3.5 keV线上的灵敏度可与XMM-Newton相媲美，并且在低于2.4 keV以及5–20 keV能量范围内提供的约束强于以往任务，显著推进了对惰性中微子探测前景的进展。

ABSTRACT

We investigate the prospects of the SRG mission in searches for the keV-scale mass sterile neutrino dark matter radiatively decaying into active neutrino and photon. The ongoing all-sky X-ray survey of the SRG space observatory with data acquired by the ART-XC and eROSITA telescopes can provide a possibility to fully explore the resonant production mechanism of the dark matter sterile neutrino, which exploits the lepton asymmetry in the primordial plasma consistent with cosmological limits from the Big Bang Nucleosynthesis. In particular, it is shown that at the end of the four year all-sky survey, the sensitivity of the eROSITA telescope near the 3.5 keV line signal reported earlier can be comparable to that of the XMM-Newton with all collected data, which will allow to carry out another independent study the possible sterile neutrino decay signal in this area. In the energy range below $\approx2.4$ keV, the expected constraints on the model parameters can be significantly stronger than those obtained with XMM-Newton. From ART-XC data, in the energy range approximately from 5 to 20 keV, it can be possible to get more stringent constraints than those obtained with NuSTAR so far. We conclude that the SRG mission has a very high potential in testing the sterile neutrino dark matter hypothesis.

研究动机与目标

• 评估SRG任务通过向光子和活性中微子的辐射衰变探测keV量级惰性中微子暗物质的能力。
• 评估eROSITA和ART-XC望远镜在探测先前XMM-Newton观测中报告的3.5 keV线信号方面的灵敏度。
• 确定SRG是否能在特定能量范围内提供强于以往X射线任务的惰性中微子参数约束。
• 探讨在与大爆炸核合成限制一致的原初轻子不对称性条件下，利用SRG数据探测惰性中微子共振生成机制的可行性。

提出的方法

• 分析eROSITA望远镜在四年的全天巡天期间对3.5 keV衰变线的预期灵敏度。
• 使用所有收集的数据，将eROSITA的预期灵敏度与XMM-Newton进行比较，以评估3.5 keV线的性能。
• 利用eROSITA数据评估在约2.4 keV以下能量范围内的惰性中微子参数约束。
• 评估ART-XC数据在5–20 keV能量范围内约束惰性中微子衰变的潜力。
• 应用基于原初轻子不对称性的共振惰性中微子生成理论模型，以确保与大爆炸核合成约束的一致性。
• 使用SRG望远镜的仪器响应函数和曝光图，模拟在相关能量带内的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 SRG任务能否在3.5 keV惰性中微子衰变线的灵敏度上达到与XMM-Newton相当的水平？
• RQ2 在低于2.4 keV的能量范围内，SRG获得的惰性中微子参数约束与XMM-Newton相比如何？
• RQ3 ART-XC数据能否在5–20 keV范围内提供比NuSTAR更严格的惰性中微子衰变约束？
• RQ4 在与宇宙学一致的轻子不对称性条件下，SRG数据能在多大程度上探测惰性中微子的共振生成机制？

主要发现

• 在四年的全天巡天结束时，eROSITA在3.5 keV线附近的灵敏度预计可与使用全部数据的XMM-Newton相媲美。
• 在约2.4 keV以下的能量范围内，SRG预计将对惰性中微子参数提供显著强于XMM-Newton的约束。
• 从ART-XC数据中获得的5–20 keV能量范围内的约束，将比目前NuSTAR提供的更严格。
• SRG任务有潜力独立验证XMM-Newton报告的3.5 keV线信号，从而增强未来任何探测声明的稳健性。
• 在与大爆炸核合成限制一致的条件下，SRG数据可全面探索共振生成机制的惰性中微子产生机制。