Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Probing self-interacting sterile neutrino dark matter with the diffuse supernova neutrino background

Published 11 Oct 2023 in hep-ph, astro-ph.CO, and astro-ph.HE | (2310.07145v2)

Abstract: The neutrinos in the diffuse supernova neutrino background (DSNB) travel over cosmological distances and this provides them with an excellent opportunity to interact with dark relics. We show that a cosmologically-significant relic population of keV-mass sterile neutrinos with strong self-interactions could imprint their presence in the DSNB. The signatures of the self-interactions would be ``dips" in the otherwise smooth DSNB spectrum. Upcoming large-scale neutrino detectors, for example Hyper-Kamiokande, have a good chance of detecting the DSNB and these dips. If no dips are detected, this method serves as an independent constraint on the sterile neutrino self-interaction strength and mixing with active neutrinos. We show that relic sterile neutrino parameters that evade X-ray and structure bounds may nevertheless be testable by future detectors like TRISTAN, but may also produce dips in the DSNB which could be detectable. Such a detection would suggest the existence of a cosmologically-significant, strongly self-interacting sterile neutrino background, likely embedded in a richer dark sector.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (90)
  1. K. S. Hirata et al. (Kamiokande-II), Phys. Lett. B 280, 146 (1992).
  2. Y. Fukuda et al. (Super-Kamiokande), Phys. Rev. Lett. 81, 1562 (1998), arXiv:hep-ex/9807003 .
  3. Q. R. Ahmad et al. (SNO), Phys. Rev. Lett. 89, 011301 (2002), arXiv:nucl-ex/0204008 .
  4. P. Minkowski, Phys. Lett. B 67, 421 (1977).
  5. D. Wyler and L. Wolfenstein, Nucl. Phys. B 218, 205 (1983).
  6. A. de Gouvêa, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 66, 197 (2016).
  7. S. F. King, Rept. Prog. Phys. 67, 107 (2004), arXiv:hep-ph/0310204 .
  8. G. Altarelli and F. Feruglio, New J. Phys. 6, 106 (2004), arXiv:hep-ph/0405048 .
  9. R. N. Mohapatra et al., Rept. Prog. Phys. 70, 1757 (2007), arXiv:hep-ph/0510213 .
  10. S. F. King, J. Phys. G 42, 123001 (2015), arXiv:1510.02091 [hep-ph] .
  11. Z.-z. Xing and Z.-h. Zhao, Rept. Prog. Phys. 84, 066201 (2021), arXiv:2008.12090 [hep-ph] .
  12. C. Athanassopoulos et al. (LSND), Phys. Rev. Lett. 77, 3082 (1996), arXiv:nucl-ex/9605003 .
  13. C. Athanassopoulos et al. (LSND), Phys. Rev. Lett. 81, 1774 (1998), arXiv:nucl-ex/9709006 .
  14. A. A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE), Phys. Rev. Lett. 98, 231801 (2007), arXiv:0704.1500 [hep-ex] .
  15. A. A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE), Phys. Rev. Lett. 105, 181801 (2010), arXiv:1007.1150 [hep-ex] .
  16. P. B. Denton, Phys. Rev. Lett. 129, 061801 (2022), arXiv:2111.05793 [hep-ph] .
  17. V. V. Barinov et al., Phys. Rev. Lett. 128, 232501 (2022), arXiv:2109.11482 [nucl-ex] .
  18. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
  19. B. Dasgupta and J. Kopp, Phys. Rev. Lett. 112, 031803 (2014), arXiv:1310.6337 [hep-ph] .
  20. S. Dodelson and L. M. Widrow, Phys. Rev. Lett. 72, 17 (1994), arXiv:hep-ph/9303287 .
  21. X.-D. Shi and G. M. Fuller, Phys. Rev. Lett. 82, 2832 (1999), arXiv:astro-ph/9810076 .
  22. A. D. Dolgov and S. H. Hansen,   (2001), arXiv:hep-ph/0103118 .
  23. A. Kusenko, Phys. Rept. 481, 1 (2009), arXiv:0906.2968 [hep-ph] .
  24. R. Adhikari et al., JCAP 01, 025 (2017), arXiv:1602.04816 [hep-ph] .
  25. G. Raffelt and G. Sigl, Astropart. Phys. 1, 165 (1993), arXiv:astro-ph/9209005 .
  26. X. Shi and G. Sigl, Phys. Lett. B 323, 360 (1994), [Erratum: Phys.Lett.B 324, 516–516 (1994)], arXiv:hep-ph/9312247 .
  27. J. Hidaka and G. M. Fuller, Phys. Rev. D 74, 125015 (2006), arXiv:astro-ph/0609425 .
  28. J. Hidaka and G. M. Fuller, Phys. Rev. D 76, 083516 (2007), arXiv:0706.3886 [astro-ph] .
  29. G. G. Raffelt and S. Zhou, Phys. Rev. D 83, 093014 (2011), arXiv:1102.5124 [hep-ph] .
  30. A. Ray and Y.-Z. Qian, Phys. Rev. D 108, 063025 (2023), arXiv:2306.08209 [hep-ph] .
  31. S. Ando et al., Phys. Rev. D 104, 023022 (2021), arXiv:2103.13242 [astro-ph.HE] .
  32. M. Gerbino et al., Phys. Dark Univ. 42, 101333 (2023), arXiv:2203.07377 [hep-ph] .
  33. S. Mertens et al. (KATRIN), J. Phys. G 46, 065203 (2019), arXiv:1810.06711 [physics.ins-det] .
  34. M. Aker et al. (KATRIN), Eur. Phys. J. C 83, 763 (2023), arXiv:2207.06337 [nucl-ex] .
  35. P. F. Smith, New J. Phys. 21, 053022 (2019), arXiv:1607.06876 [physics.ins-det] .
  36. C. J. Martoff et al., Quantum Sci. Technol. 6, 024008 (2021).
  37. K. N. Abazajian and H. G. Escudero,   (2023), arXiv:2309.11492 [hep-ph] .
  38. M. A. Acero et al.,   (2022), arXiv:2203.07323 [hep-ex] .
  39. R. S. L. Hansen and S. Vogl, Phys. Rev. Lett. 119, 251305 (2017), arXiv:1706.02707 [hep-ph] .
  40. L. Johns and G. M. Fuller, Phys. Rev. D 100, 023533 (2019), arXiv:1903.08296 [hep-ph] .
  41. H. Davoudiasl and P. B. Denton, Phys. Rev. D 108, 035013 (2023), arXiv:2301.09651 [hep-ph] .
  42. M. D. Astros and S. Vogl,   (2023), arXiv:2307.15565 [hep-ph] .
  43. R. Davis Jr., Phys. Rev. Lett. 20, 1205 (1968), arXiv:Solar Neutrinos. II: Experimental [physics.gen-ph] .
  44. S. Fukuda et al. (Super-Kamiokande Collaboration), Phys. Rev. Lett. 86, 5651 (2001), arXiv:hep-ex/0103032 [hep-ex] .
  45. T. Araki et al. (KamLAND), Phys. Rev. Lett. 94, 081801 (2005), arXiv:hep-ex/0406035 [hep-ex] .
  46. G. Bellini et al. (Borexino), Phys. Rev. Lett. 101, 091302 (2008), arXiv:0805.3843 [hep-ex] .
  47. R. M. Bionta et al., Phys. Rev. Lett. 58, 1494 (1987).
  48. I. Collaboration et al. (IceCube), Science 361, 147 (2018), arXiv:1807.08794 [astro-ph.HE] .
  49. R. Abbasi et al. (IceCube), Science 378, 538 (2022), arXiv:2211.09972 [astro-ph.HE] .
  50. J. F. Beacom and N. F. Bell, Phys. Rev. D 65, 113009 (2002), hep-ph/0204111 .
  51. P. Iváñez Ballesteros and M. C. Volpe,   (2023), arXiv:2307.03549 [hep-ph] .
  52. A. B. Balantekin and C. Volpe, Phys. Rev. D 72, 033008 (2005), arXiv:hep-ph/0411148 .
  53. D. N. Spergel and J. N. Bahcall, Phys. Lett. B 200, 366 (1988).
  54. J. F. Beacom, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 60, 439 (2010), arXiv:1004.3311 [astro-ph.HE] .
  55. C. Lunardini, Astropart. Phys. 79, 49 (2016), arXiv:1007.3252 [astro-ph.CO] .
  56. A. M. Suliga, “Diffuse Supernova Neutrino Background,” in Handbook of Nuclear Physics, edited by I. Tanihata, H. Toki,  and T. Kajino (2022) pp. 1–18, arXiv:2207.09632 [astro-ph.HE] .
  57. Y. Farzan and S. Palomares-Ruiz, JCAP 06, 014 (2014), arXiv:1401.7019 [hep-ph] .
  58. K. Abe et al. (Hyper-Kamiokande),   (2018), arXiv:1805.04163 [physics.ins-det] .
  59. J. Hosaka et al. (Super-Kamiokande), Phys. Rev. D 73, 112001 (2006), arXiv:hep-ex/0508053 .
  60. S. Tulin and H.-B. Yu, Phys. Rept. 730, 1 (2018), arXiv:1705.02358 [hep-ph] .
  61. P. A. Zyla et al. (Particle Data Group), PTEP 2020, 083C01 (2020).
  62. E. E. Salpeter, Astrophys. J. 121, 161 (1955).
  63. W. Li et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 412, 1441 (2011), arXiv:1006.4612 [astro-ph.SR] .
  64. S. Mattila et al., Astrophys. J. 756, 111 (2012), arXiv:1206.1314 [astro-ph.CO] .
  65. M. Taylor et al., Astrophys. J. 792, 135 (2014), arXiv:1407.0999 [astro-ph.SR] .
  66. L.-G. Strolger et al., Astrophys. J. 813, 93 (2015), arXiv:1509.06574 [astro-ph.GA] .
  67. v. Ivezić et al. (LSST), Astrophys. J. 873, 111 (2019), arXiv:0805.2366 [astro-ph] .
  68. A. Lien and B. D. Fields, JCAP 2009, 047 (2009), arXiv:0902.0979 [astro-ph.CO] .
  69. E. O’Connor et al., J. Phys. G 45, 104001 (2018), arXiv:1806.04175 [astro-ph.HE] .
  70. I. Tamborra and S. Shalgar, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 71, 165 (2021), arXiv:2011.01948 [astro-ph.HE] .
  71. A. V. Patwardhan, M. J. Cervia, E. Rrapaj, P. Siwach,  and A. B. Balantekin, “Many-Body Collective Neutrino Oscillations: Recent Developments,” in Handbook of Nuclear Physics, edited by I. Tanihata, H. Toki,  and T. Kajino (2023) pp. 1–16, arXiv:2301.00342 [hep-ph] .
  72. M. C. Volpe,   (2023), arXiv:2301.11814 [hep-ph] .
  73. K. Abe et al. (Super-Kamiokande), Phys. Rev. D 104, 122002 (2021), arXiv:2109.11174 [astro-ph.HE] .
  74. M. Harada et al. (Super-Kamiokande), Astrophys. J. Lett. 951, L27 (2023), arXiv:2305.05135 [astro-ph.HE] .
  75. B. Aharmim et al. (SNO), Phys. Rev. D 102, 062006 (2020), arXiv:2007.08018 [hep-ex] .
  76. C. Lunardini and O. L. G. Peres, JCAP 08, 033 (2008), arXiv:0805.4225 [astro-ph] .
  77. J. F. Beacom and M. R. Vagins, Phys. Rev. Lett. 93, 171101 (2004), arXiv:hep-ph/0309300 .
  78. A. Abusleme et al. (JUNO), JCAP 10, 033 (2022), arXiv:2205.08830 [hep-ex] .
  79. A. Strumia and F. Vissani, Phys. Lett. B 564, 42 (2003), arXiv:astro-ph/0302055 .
  80. D. N. Spergel and P. J. Steinhardt, Phys. Rev. Lett. 84, 3760 (2000), arXiv:astro-ph/9909386 .
  81. M. Aker et al. (KATRIN), JINST 16, T08015 (2021a), arXiv:2103.04755 [physics.ins-det] .
  82. M. Aker et al. (KATRIN), Phys. Rev. Lett. 123, 221802 (2019), arXiv:1909.06048 [hep-ex] .
  83. M. Aker et al. (KATRIN), Phys. Rev. D 104, 012005 (2021b), arXiv:2101.05253 [hep-ex] .
  84. M. Aker et al. (KATRIN), Nature Phys. 18, 160 (2022), arXiv:2105.08533 [hep-ex] .
  85. G. M. Fuller and D. N. Schramm, Phys. Rev. D 45, 2595 (1992).
  86. A. V. Patwardhan and G. M. Fuller, Phys. Rev. D 90, 063009 (2014), arXiv:1401.1923 [astro-ph.CO] .
  87. S. Tremaine and J. E. Gunn, Phys. Rev. Lett. 42, 407 (1979).
  88. D. Savchenko and A. Rudakovskyi, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 487, 5711 (2019), arXiv:1903.01862 [astro-ph.CO] .
  89. S. Das and K. Sigurdson, Phys. Rev. D 85, 063510 (2012), arXiv:1012.4458 [astro-ph.CO] .
  90. A. A. Meiksin, Rev. Mod. Phys. 81, 1405 (2009), arXiv:0711.3358 [astro-ph] .
Citations (5)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 7 likes about this paper.

Sign Up for Free