[论文解读] WIMP matter power spectra and small scale power generation

Céline Bœhm, H. Mathis+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2003

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文研究了具有非可忽略自相互作用的弱相互作用大质量粒子（WIMPs），其自相互作用导致碰撞阻尼，进而在约10³ M⊙尺度上引起线性物质功率谱的阻尼。尽管存在这种阻尼，数值模拟显示，在低红移（z ≤ 1）时，非线性物质功率谱与标准冷暗物质（CDM）模型几乎无法区分，这是由于小尺度功率的再生所致，这意味着仅靠引力透镜测量无法稳健地区分此类碰撞性WIMPs与传统的CDM候选者。

ABSTRACT

Dark Matter (DM) is generally assumed to be massive, cold and collisionless from the structure formation point of view. A more correct statement however is that DM indeed experiences collisional damping, but on a scale which is supposed to be too small to be relevant for structure formation. The aim of this paper is to present a Cold (although ``collisional'') Dark Matter particle whose matter power spectrum is damped and see whether it is distinguishable from standard candidates. To achieve this purpose, we calculate the collisional damping and free-streaming scales of neutralinos and non conventional candidates (say light particles heavier than ~1 MeV but lighter than O(10) GeV). The latter can be considered as Cold Dark Matter (CDM) particles in the sense that they become non relativistic before their thermal decoupling epoch. Unlike neutralinos, however, their linear matter power spectrum can be damped on scales of ~ 10^3 Msol due to their interactions. Since these scales are of cosmological interest for structure formation, we perform a series of numerical simulations to obtain the corresponding non linear matter power spectra P(k)_{nl} at the present epoch. We show that because of small scale regeneration, they all resemble each other at low redshifts, i.e. become very similar to a typical CDM matter power spectrum on all but the smallest scales. Therefore, even if lensing measurements at redshift below unity were to yield a P(k)_{nl} consistent with CDM models, this would not constitute a sufficiently robust evidence in favour of the neutralino to rule out alternative DM candidates.

研究动机与目标

• 评估自相互作用对质量大于1 MeV且小于10 GeV的轻量级WIMP类暗物质候选者物质功率谱的影响。
• 确定此类碰撞性WIMPs是否可通过非线性物质功率谱与标准冷暗物质（CDM）相区分。
• 研究小尺度功率再生在使非CDM型功率谱在低红移时趋同CDM特性中的作用。
• 评估引力透镜测量在约束具有阻尼线性功率谱的替代暗物质候选者时的稳健性。

提出的方法

• 计算传统（如中性子）和非传统轻量级WIMP候选者（1 MeV – 10 GeV）的碰撞阻尼尺度与自由流尺度，这些候选者通过湮灭过程实现正确的遗迹密度。
• 执行数值N体模拟，计算在z = 0和z = 10时的非线性物质功率谱P(k)nl，模型截断尺度分别为10⁶、10⁷、10⁸和10⁹ h⁻¹ M⊙。
• 比较不同暗物质模型（包括标准CDM和不同质量的暖暗物质WDM）的P(k)nl谱结果。
• 分析z = 0和z = 10时的晕质量函数，以量化各模型在结构形成效率上的差异。
• 利用P(k)nl的时间演化评估弱引力透镜测量作为区分暗物质模型手段的可行性。
• 评估结果对模拟动态范围和红移的敏感性，重点关注100 kpc/h以下的尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有非可忽略自相互作用的WIMP候选者是否能在宇宙学相关尺度（~10³ M⊙）上产生阻尼的线性物质功率谱？
• RQ2 在低红移时，小尺度功率再生在多大程度上抹除了非线性物质功率谱中初始阻尼的痕迹？
• RQ3 在z < 1时，弱引力透镜测量能否区分标准CDM与具有阻尼线性谱的碰撞性WIMP模型？
• RQ4 在高红移（z = 10）和低红移（z = 0）时，CDM与具有不同截断尺度的轻量级WIMP模型在晕质量函数上存在何种差异？
• RQ5 与P(k)nl相比，结构参数或再电离特征是否更有效地用于区分替代暗物质候选者？

主要发现

• 在截断尺度约为10³ M⊙的碰撞性WIMP模型中，非线性物质功率谱P(k)nl在红移z ≤ 1时与标准CDM模型几乎无法区分，这是由于小尺度功率的再生所致。
• 即使在10⁹ h⁻¹ M⊙的截断尺度下，碰撞性WIMPs的模拟P(k)nl在z < 1时仍与CDM谱高度吻合，限制了引力透镜调查在区分此类模型方面的判别能力。
• 在z = 10时，0.6 keV WDM模型的晕数量比CDM模型少约40倍，表明结构形成在早期受到显著抑制。
• 在z = 10时，0.6 keV WDM模型在低质量范围（M < 10⁸.⁵ h⁻¹ M⊙）的晕质量函数显著被抑制，但在更高质量区域有所恢复。
• 引力透镜测量若能探测至70 h⁻¹ kpc尺度，可能开始触及10⁹ h⁻¹ M⊙截断尺度的关键区域，但目前在200 h⁻¹ kpc尺度的调查尚不足以区分此类模型。
• 其他特征如晕的结构参数或再电离历史可能提供更好的区分能力，但其有效性受到恒星物理不确定性的影响。