暗物质-重子相互作用的 N 体模拟
宇宙学与河外天体物理
2025-08-20 v2 星系天体物理
高能物理 - 唯象学
摘要
暗物质 (DM) 粒子可以与标准模型粒子发生相互作用。尽管已有许多来自直接和间接探测实验的约束，天体物理对象的演化仍可提供一种有前景的探针。获取预测具有挑战性，且主要受限于我们在 N 体和流体动力学模拟中模拟 DM 与重子粒子之间散射的能力。我们开发了首个允许模拟这些相互作用暗物质 (IDM) 模型的方案，准确考虑了它们的角向和速度依赖性，以及 DM 与重子散射伴之间的质量比。为了描述 DM-重子相互作用，我们使用了 N 体代码及其平滑粒子流体力学和无网格有限质量法的实现。该相互作用以成对方式实现，通过从重子粒子创建一个虚拟散射伴，并允许其使用最初为自相互作用暗物质 (SIDM) 开发的散射例程与 DM 粒子相互作用。相互作用后，虚拟粒子重新并入重子粒子，满足能量和动量守恒要求。通过几个测试问题，我们证明了能够用我们的 IDM 方案重现解析解。这包括物理质量比为 1:1000 的散射测试，这超出了 SIDM 模拟的极限。我们评论了各种数值方面和挑战，并描述了我们数值方案的局限性。此外，我们利用坍缩过密度研究了 IDM 对晕形成的影响。我们发现，在天体物理学中常用的 N 体和流体动力学模拟中准确建模 IDM 是可能的。最后，我们的方案允许做出新的预测，并对 DM-重子散射设定新的约束。
引用
@article{arxiv.2504.12393,
title = {N-body simulations of dark matter-baryon interactions},
author = {Moritz S. Fischer and Klaus Dolag and Mathias Garny and Vera Gluscevic and Frederick Groth and Ethan O. Nadler},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.12393},
year = {2025}
}
备注
18 pages, 16 figures + appendices, accepted for publication in A&A