Si los neutrinos son desfavorecidos como candidatos de DM, ¿por qué no son los axiones?

Question

Las simulaciones numéricas del observado a gran escala de la formación de la estructura de trabajar mejor con Materia Oscura Fría (MDL; véase la respuesta aquí). Los Neutrinos son candidatos para la Materia Oscura Caliente (HDM), y por lo tanto no cuenta para el total de la abundancia de materia oscura del Universo. Por la misma razón, los axiones son también relativista porque tienen muy pequeñas masas. No son ellos también los candidatos de HDM como los neutrinos? No debería también ser desfavorecidos por la misma razón?

Answer 1

La respuesta es que los axiones son no relativista, pero en lugar extremadamente frío. Los Neutrinos son calientes, porque estaban en equilibrio térmico con el modelo estándar de baño de calor antes de que disociadas.

Este no es el caso de axiones, que necesita algún tipo de no-térmica mecanismo de producción. De lo contrario, se podría única forma caliente de la materia oscura, como usted dice. Si los axiones eai térmicamente producido su reliquia de la densidad también sería demasiado baja para explicar la materia oscura (incluso si está caliente la materia oscura no fue descartada).

Answer 2

Tras la solución de una hoja de ejercicios en mi Materia Oscura en el curso Tremaine-Gunn obligado:

Una explicación de por qué los neutrinos no pueden ser materia oscura fría es que aunque no relativista neutrinos deben existir (se espera que la radiación cósmica de fondo de neutrinos es no-relativista, aunque no se ha medido todavía) no sería masiva suficiente para explicar la materia oscura, que está enlazado en estructuras como las galaxias.

Para ver esto tenemos que, dado que los neutrinos son fermiones el número de estados por unidad de fase que el espacio es limitado y determinado por $$n = \frac{g}{(2\pi \hbar)^3}$$ Para la masa del Modelo Estándar de neutrinos $g=1$

Sin embargo masivos de Neutrinos $g=2$

Ahora tomar una típica curva de rotación galáctica con una velocidad de rotación de $$v(R)=220\frac{km}{s}$$ en $R=12$kpc nos encontramos con que necesitamos una masa de la galaxia dentro de los 12 kpc Radio de $$M=2.69\cdot 10^{41}kg$$ Ya sabemos que la mayoría de la masa dentro de una galaxia se compone de Materia Oscura, que podría también llevar esto al ser la Masa de la Materia Oscura. Luego veremos que esta aproximación es válida suficiente para descartar los neutrinos como MDL candidatos.

Por supuesto, en este caso el número de neutrinos está dada por $$N_\nu = M/m_\nu$$ donde $m_\nu$ es la masa de los neutrinos. Ya sabemos de la oscilación de los datos que el cuadrado de la masa de las diferencias de los neutrinos son muy pequeños podemos también asumir sólo una masiva neutrino con $m_\nu=\sum m_{\nu_i}$

Ahora el número de neutrinos también está dada por $$N_\nu= V\int n\;d^3p= \frac{4}{3}\pi V p_{\text{max}}^3n$$ con $$V=\frac{4}{3}\pi R^3$$ Para los neutrinos estar obligado necesitamos ser más lenta que la velocidad de escape. Con lo que obtenemos $$v_{\text{max}}=v_{\text{esc}}=\sqrt{\frac{2GM}{R}}=3.1\cdot10^5\frac{\text{m}}{\text{s}}$$ que está por debajo de la velocidad de la luz, es decir, no relativista.

Por lo tanto, podemos tomar $$p_{\text{max}}=m_\nu v_{\text{max}}$$ Ahora podemos calcular la necesaria masa del neutrino para dar cuenta de la Materia Oscura $$m_{\nu,\text{min}} = \left(\frac{3M}{4Vnv_{\text{esc}}^3\pi}\right)^{1/4}$$ y encontrar que $$m_{\nu,\text{min}}\approx 19.5\,\text{eV}$$ es necesario para dar cuenta de lo observado curva de velocidad que se explica por la Neutrino Materia Oscura. El actual límite en la suma de todas las masas de neutrinos de la partícula grupo de datos son $$\sum m_i<0.2\,\text{eV}$$ Por lo tanto nos encontramos con que los neutrinos no puede dar cuenta de lo observado Materia Oscura en el interior de las galaxias.

Observe que todos los de esta explicación se basa en el hecho de que los neutrinos son fermiones y no bosones es decir, usted puede empacar sólo una cantidad limitada de neutrinos en una unidad de espacio de fase. Para bosones como el axión esto no es así, incluso muy ligero bosones pueden ser materia oscura fría si el mecanismo de producción permite que sean no relativista.