Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nâng nhiệt độ các sao neutron bằng vật chất tối GeV
Tóm tắt
Một sao neutron (NS) cũ có thể hấp thu vật chất tối (DM) từ halo và bị nung nóng bởi năng lượng động năng được tích lũy, do đó hoạt động như một thiết bị phát hiện DM nhiệt với độ nhạy tới một dải rộng các khối lượng DM và nhiều dạng tương tác giữa DM và quark. Các kính viễn vọng hồng ngoại trong tương lai gần sẽ đo nhiệt độ của NS xuống tới vài nghìn Kelvin và khảo sát nhiệt độ của NS do sự hấp thu DM. Chúng tôi tập trung vào DM fermion Dirac khối lượng GeV (đi vượt xa khả năng của các thí nghiệm phát hiện DM trực tiếp hiện tại) trong các kịch bản mà tỷ lệ hấp thu DM có thể đạt tới giới hạn hình học. Để cụ thể hóa, chúng tôi nghiên cứu (1) một mô hình đề cập đến sự phân rã tối của neutron để giải thích sự bất thường trong tuổi thọ neutron, và (2) một khung vật lý DM liên kết với quark thông qua một cổng dòng vectơ. Trong mô hình phân rã tối neutron, một NS có thể có một quần thể DM đáng kể, vì vậy mà tỷ lệ hấp thu DM có thể đạt đến giới hạn hình học thông qua các tương tác tự tương tác của DM ngay cả khi tiết diện tán xạ DM-neutron là rất nhỏ. Chúng tôi phát hiện ra rằng việc làm nóng NS có độ nhạy cao hơn so với các dấu hiệu multipion trong các detector ngầm lớn cho mô hình phân rã tối neutron, và các dấu hiệu gamma-ray dưới GeV cho mô hình cổng vectơ quark.
Từ khóa
#Sao neutron #vật chất tối #phân rã tối #fermion Dirac #năng lượng động năng #tương tác quarkTài liệu tham khảo
S.D. McDermott, H.-B. Yu and K.M. Zurek, Constraints on Scalar Asymmetric Dark Matter from Black Hole Formation in Neutron Stars, Phys. Rev. D 85 (2012) 023519 [arXiv:1103.5472] [INSPIRE].
T. Güver, A.E. Erkoca, M. Hall Reno and I. Sarcevic, On the capture of dark matter by neutron stars, JCAP 05 (2014) 013 [arXiv:1201.2400] [INSPIRE].
M. Baryakhtar, J. Bramante, S.W. Li, T. Linden and N. Raj, Dark Kinetic Heating of Neutron Stars and An Infrared Window On WIMPs, SIMPs and Pure Higgsinos, Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 131801 [arXiv:1704.01577] [INSPIRE].
C.-S. Chen and Y.-H. Lin, Reheating neutron stars with the annihilation of self-interacting dark matter, JHEP 08 (2018) 069 [arXiv:1804.03409] [INSPIRE].
R. Garani, Y. Genolini and T. Hambye, New Analysis of Neutron Star Constraints on Asymmetric Dark Matter, JCAP 05 (2019) 035 [arXiv:1812.08773] [INSPIRE].
N.F. Bell, G. Busoni and S. Robles, Capture of Leptophilic Dark Matter in Neutron Stars, JCAP 06 (2019) 054 [arXiv:1904.09803] [INSPIRE].
R. Garani and J. Heeck, Dark matter interactions with muons in neutron stars, Phys. Rev. D 100 (2019) 035039 [arXiv:1906.10145] [INSPIRE].
B. Fornal and B. Grinstein, Dark Matter Interpretation of the Neutron Decay Anomaly, Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 191801 [Erratum ibid. 124 (2020) 219901] [arXiv:1801.01124] [INSPIRE].
B. Grinstein, C. Kouvaris and N.G. Nielsen, Neutron Star Stability in Light of the Neutron Decay Anomaly, Phys. Rev. Lett. 123 (2019) 091601 [arXiv:1811.06546] [INSPIRE].
D. Berger, A. Rajaraman and J. Kumar, Dark Matter Through the Quark Vector Current Portal, arXiv:1903.10632 [INSPIRE].
J. Kumar, Indirect Detection of Sub-GeV Dark Matter Coupling to Quarks, Phys. Rev. D 98 (2018) 116009 [arXiv:1808.02579] [INSPIRE].
Particle Data Group collaboration, Review of Particle Physics, Chin. Phys. C 40 (2016) 100001 [INSPIRE].
J. Byrne and P.G. Dawber, A Revised Value for the Neutron Lifetime Measured Using a Penning Trap, Europhys. Lett. 33 (1996) 187 [INSPIRE].
A.T. Yue et al., Improved Determination of the Neutron Lifetime, Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 222501 [arXiv:1309.2623] [INSPIRE].
A. Pichlmaier, V. Varlamov, K. Schreckenbach and P. Geltenbort, Neutron lifetime measurement with the UCN trap-in-trap MAMBO II, Phys. Lett. B 693 (2010) 221 [INSPIRE].
A. Steyerl, J.M. Pendlebury, C. Kaufman, S.S. Malik and A.M. Desai, Quasielastic scattering in the interaction of ultracold neutrons with a liquid wall and application in a reanalysis of the Mambo I neutron-lifetime experiment, Phys. Rev. C 85 (2012) 065503 [INSPIRE].
S. Arzumanov et al., A measurement of the neutron lifetime using the method of storage of ultracold neutrons and detection of inelastically up-scattered neutrons, Phys. Lett. B 745 (2015) 79 [INSPIRE].
W.-Y. Keung, D. Marfatia and P.-Y. Tseng, Annihilation signatures of neutron dark decay models in neutron oscillation and proton decay searches, JHEP 09 (2019) 053 [arXiv:1905.03401] [INSPIRE].
S. Tulin, H.-B. Yu and K.M. Zurek, Resonant Dark Forces and Small Scale Structure, Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 111301 [arXiv:1210.0900] [INSPIRE].
CRESST collaboration, First results from the CRESST-III low-mass dark matter program, Phys. Rev. D 100 (2019) 102002 [arXiv:1904.00498] [INSPIRE].
A.R. Zentner, High-Energy Neutrinos From Dark Matter Particle Self-Capture Within the Sun, Phys. Rev. D 80 (2009) 063501 [arXiv:0907.3448] [INSPIRE].
C. Kouvaris, WIMP Annihilation and Cooling of Neutron Stars, Phys. Rev. D 77 (2008) 023006 [arXiv:0708.2362] [INSPIRE].
S.L. Shapiro and S.A. Teukolsky, Black holes, white dwarfs, and neutron stars: The physics of compact objects, Wiley, New York, U.S.A. (1983).
D. Page, J.M. Lattimer, M. Prakash and A.W. Steiner, Minimal cooling of neutron stars: A new paradigm, Astrophys. J. Suppl. 155 (2004) 623 [astro-ph/0403657] [INSPIRE].
E.H. Gudmundsson, C.J. Pethick and R.I. Epstein, Neutron star envelopes, Astrophys. J. 259 (1982) L19.
E.H. Gudmundsson, C.J. Pethick and R.I. Epstein, Structure of neutron star envelopes, Astrophys. J. 272 (1983) 286.
N.F. Bell, G. Busoni and S. Robles, Heating up Neutron Stars with Inelastic Dark Matter, JCAP 09 (2018) 018 [arXiv:1807.02840] [INSPIRE].
S. Nussinov, Technocosmology: Could A Technibaryon Excess Provide A ‘natural’ Missing Mass Candidate?, Phys. Lett. B 165 (1985) 55 [INSPIRE].
D.E. Kaplan, M.A. Luty and K.M. Zurek, Asymmetric Dark Matter, Phys. Rev. D 79 (2009) 115016 [arXiv:0901.4117] [INSPIRE].
M. Ibe, S. Matsumoto and T.T. Yanagida, The GeV-scale dark matter with B-L asymmetry, Phys. Lett. B 708 (2012) 112 [arXiv:1110.5452] [INSPIRE].
D. McKeen, A.E. Nelson, S. Reddy and D. Zhou, Neutron stars exclude light dark baryons, Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 061802 [arXiv:1802.08244] [INSPIRE].
J. Heeck, Unbroken B-L symmetry, Phys. Lett. B 739 (2014) 256 [arXiv:1408.6845] [INSPIRE].
S. Gandolfi, J. Carlson and S. Reddy, The maximum mass and radius of neutron stars and the nuclear symmetry energy, Phys. Rev. C 85 (2012) 032801 [arXiv:1101.1921] [INSPIRE].
J.M. Cline and J.M. Cornell, Dark decay of the neutron, JHEP 07 (2018) 081 [arXiv:1803.04961] [INSPIRE].
F. Douchin and P. Haensel, A unified equation of state of dense matter and neutron star structure, Astron. Astrophys. 380 (2001) 151 [astro-ph/0111092] [INSPIRE].
T. Hahn and M. Pérez-Victoria, Automatized one loop calculations in four-dimensions and D-dimensions, Comput. Phys. Commun. 118 (1999) 153 [hep-ph/9807565] [INSPIRE].
P.B. Pal, Representation-independent manipulations with Dirac spinors, physics/0703214 [INSPIRE].
S.A. Raby and G. West, A Simple Solution to the Solar Neutrino and Missing Mass Problems, Nucl. Phys. B 292 (1987) 793 [INSPIRE].
J.L. Feng, J. Smolinsky and P. Tanedo, Detecting dark matter through dark photons from the Sun: Charged particle signatures, Phys. Rev. D 93 (2016) 115036 [Erratum ibid. 96 (2017) 099903] [arXiv:1602.01465] [INSPIRE].
G. Ecker, J. Gasser, A. Pich and E. de Rafael, The Role of Resonances in Chiral Perturbation Theory, Nucl. Phys. B 321 (1989) 311 [INSPIRE].
JWST Pocket Guide, https://www.stsci.edu/files/live/sites/www/files/home/jwst/instrumentation/documents/jwst-pocket-guide.pdf .