SIDMとは？わかりやすく解説

SIDM (Self-Interacting Dark Matter、自己相互作用する暗黒物質)は、天体物理学や素粒子物理学において、標準的な冷たい暗黒物質モデル（CDM）とは対照的に、強い相互作用を持つ暗黒物質粒子である。SIDMはコア・カスプ問題^[1]^[2]^[3] の解決策として2000年に提唱された^[4]。最も単純な自己相互作用モデルでは，湯川型ポテンシャルと媒介粒子φが2つの暗黒物質粒子の間を仲介する^[5]。銀河スケールでは、暗黒物質同士の自己相互作用によって暗黒物質粒子間のエネルギーと運動量の交換が起こる。この結果、宇宙論的な時間スケールでは、暗黒物質ハローの中心領域に等温コアが形成される。

SIDMが静水圧平衡にあるとき、その圧力と密度は以下の方程式に従う：

\nabla P_{\chi }/\rho _{\chi }=\nabla \Phi _{\rm {tot}}=\nabla (\Phi _{\chi }+\Phi _{b})

ここで $\Phi _{\chi }$ および $\Phi _{b}$ はそれぞれ暗黒物質とバリオンの重力ポテンシャルである。この方程式は暗黒物質の分布とバリオン物質の分布を自然に相関させる。この相関によって、SIDMはタリー・フィッシャー関係のような現象を説明することができる。

SIDM はDAMA実験の年周変調信号の説明としても提唱されている^[6]^[7]^[8]。さらに、SIDMは高赤方偏移の超大質量ブラックホールの起源となりうることが示されている。SIDMはいわゆる「ダーク・ビッグバン」で誕生したのかもしれない。^[9]

2024年7月、SIDMが「最終パーセク問題」を解決するという研究が発表され^[10]^[11]、その2ヶ月後には別の研究がファジーコールド暗黒物質で同じことを提案している^[12]^[13]。

参考文献

^ Moore, Ben (August 1994). “Evidence against dissipation-less dark matter from observations of galaxy haloes” (英語). Nature 370 (6491): 629–631. Bibcode: 1994Natur.370..629M. doi:10.1038/370629a0. ISSN 0028-0836.
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^ Oh, Se-Heon; Hunter, Deidre A.; Brinks, Elias; Elmegreen, Bruce G.; Schruba, Andreas; Walter, Fabian; Rupen, Michael P.; Young, Lisa M. et al. (June 2015). “High-resolution Mass Models of Dwarf Galaxies from LITTLE THINGS” (英語). The Astronomical Journal 149 (6): 180. arXiv:1502.01281. Bibcode: 2015AJ....149..180O. doi:10.1088/0004-6256/149/6/180. ISSN 0004-6256.
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外部リンク

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Musser, George (May 2000). “What's the Matter?”. Scientific American 282 (5): 24. Bibcode: 2000SciAm.282e..24M. doi:10.1038/scientificamerican0500-24.
Lawrence, Krauss (2000). Quintessence: The Search for Missing Mass in the Universe. Basic Books. pp. 384. ISBN 978-0465037414

[1] Moore, Ben (August 1994). “Evidence against dissipation-less dark matter from observations of galaxy haloes” (英語). Nature 370 (6491): 629–631. Bibcode: 1994Natur.370..629M. doi:10.1038/370629a0. ISSN 0028-0836.

[2] Oh, Se-Heon; de Blok, W. J. G.; Walter, Fabian; Brinks, Elias; Kennicutt, Robert C. (December 2008). “High-Resolution Dark Matter Density Profiles of THINGS Dwarf Galaxies: Correcting for Noncircular Motions” (英語). The Astronomical Journal 136 (6): 2761–2781. arXiv:0810.2119. Bibcode: 2008AJ....136.2761O. doi:10.1088/0004-6256/136/6/2761. ISSN 0004-6256.

[3] Oh, Se-Heon; Hunter, Deidre A.; Brinks, Elias; Elmegreen, Bruce G.; Schruba, Andreas; Walter, Fabian; Rupen, Michael P.; Young, Lisa M. et al. (June 2015). “High-resolution Mass Models of Dwarf Galaxies from LITTLE THINGS” (英語). The Astronomical Journal 149 (6): 180. arXiv:1502.01281. Bibcode: 2015AJ....149..180O. doi:10.1088/0004-6256/149/6/180. ISSN 0004-6256.

[4] Spergel, David N.; Steinhardt, Paul J. (April 2000). “Observational Evidence for Self-Interacting Cold Dark Matter” (英語). Physical Review Letters 84 (17): 3760–3763. arXiv:astro-ph/9909386. Bibcode: 2000PhRvL..84.3760S. doi:10.1103/PhysRevLett.84.3760. ISSN 0031-9007. PMID 11019199.

[5] Loeb, Abraham; Weiner, Neal (April 2011). “Cores in Dwarf Galaxies from Dark Matter with a Yukawa Potential” (英語). Physical Review Letters 106 (17): 171302. arXiv:1011.6374. Bibcode: 2011PhRvL.106q1302L. doi:10.1103/PhysRevLett.106.171302. ISSN 0031-9007. PMID 21635025.

[mit-6] Mitra, Saibal (15 June 2005). “Has DAMA detected self-interacting dark matter?”. Physical Review D 71 (12): 121302. arXiv:astro-ph/0409121. Bibcode: 2005PhRvD..71l1302M. doi:10.1103/PhysRevD.71.121302.

[7] Moskowitz, Clara (2015年4月20日). “Dark Matter May Feel a "Dark Force" That the Rest of the Universe Does Not”. Scientific American

[Massey2015-8] Richard Massey (June 2015). “The behaviour of dark matter associated with four bright cluster galaxies in the 10 kpc core of Abell 3827”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 449 (4P): 3393–3406. arXiv:1504.03388. Bibcode: 2015MNRAS.449.3393M. doi:10.1093/mnras/stv467etal commentary The Possible First Signs of Self-interacting Dark Matter

[9] “Dancing in the dark”. The Economist. 9 March 2024.

[10] Alonso-Álvarez, Gonzalo; Cline, James M.; Dewar, Caitlyn (2024-07-09). “Self-Interacting Dark Matter Solves the Final Parsec Problem of Supermassive Black Hole Mergers” (英語). Physical Review Letters 133 (2): 021401. arXiv:2401.14450. Bibcode: 2024PhRvL.133b1401A. doi:10.1103/PhysRevLett.133.021401. ISSN 0031-9007.

[11] Jonathan Gilbert (2024年8月19日). “'Final parsec problem' that makes supermassive black holes impossible to explain could finally have a solution” (英語). livescience.com. 2024年8月20日閲覧。

[12] Koo, Hyeonmo; Bak, Dongsu; Park, Inkyu; Hong, Sungwook E.; Lee, Jae-Weon (September 2024). “Final parsec problem of black hole mergers and ultralight dark matter” (英語). Physics Letters B 856: 138908. arXiv:2311.03412. Bibcode: 2024PhLB..85638908K. doi:10.1016/j.physletb.2024.138908.

[13] O'Callaghan (2024年10月23日). “How Do Merging Supermassive Black Holes Pass the Final Parsec?” (英語). Quanta Magazine. 2024年10月24日閲覧。

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