Phenomenology of Dark Matter Annihilations in the Sun

Abstract

The annihilation of dark matter (DM) particles accumulated in the Sun could produce a flux of neutrinos, which is potentially detectable with neutrino detectors/telescopes and the DM elastic scattering cross section can be constrained. Although the process of DM capture in astrophysical objects like the Sun is commonly assumed to be due to interactions only with nucleons, there are scenarios in which tree-level DM couplings to quarks are absent, and even if loop-induced interactions with nucleons are allowed, scatterings off electrons could be the dominant capture mechanism. We consider this possibility and study in detail all the ingredients necessary to compute the neutrino production rates from DM annihilations in the Sun (capture, annihilation and evaporation rates) for velocity-independent and isotropic, velocity-dependent and isotropic and momentum-dependent scattering cross sections for DM interactions with electrons and compare them with the results obtained for the case of interactions with nucleons. Moreover, we improve the usual calculations in a number of ways and provide analytical expressions. Interestingly, we find that the evaporation mass in the case of interactions with electrons could be below the GeV range, depending on the high-velocity tail of the DM distribution in the Sun, which would open a new mass window for searching for this type of scenarios.

Die Annihilation von Dunkler Materie (DM), die sich in der Sonne angesammelt hat, könnte einen Fluss von Neutrinos erzeugen, der potentiell mit Neutrino-Detektoren / Teleskopen detektierbar ist und der DM-Streuquerschnitt eingeschränkt werden kann. Obwohl angenommen wird, dass der Prozess der DM-Erfassung in astrophysikalischen Objekten wie der Sonne nur auf Wechselwirkungen mit Nukleonen zurückzuführen ist, gibt es Szenarien, in denen DM-Kopplungen zwischen Bäumen auf Quarks fehlen und auch wenn Schleifen-induzierte Wechselwirkungen mit Nukleonen zulässig sind Streuungen von Elektronen könnten der dominierende Erfassungsmechanismus sein. Wir betrachten diese Möglichkeit und untersuchen detailliert alle notwendigen Bestandteile, um die Neutrino-Produktionsraten aus den DM-Annihilationen in der Sonne (Einfang-, Annihilations- und Verdampfungsraten) für geschwindigkeitsunabhängiges und isotropes, geschwindigkeitsabhängiges und isotropes sowie impulsabhängiges Streukreuz zu berechnen Abschnitte für DM-Wechselwirkungen mit Elektronen und vergleichen sie mit den Ergebnissen für den Fall der Wechselwirkungen mit Nukleonen. Darüber hinaus verbessern wir die üblichen Berechnungen auf verschiedene Arten und liefern analytische Ausdrücke. Interessanterweise finden wir, dass die Verdampfungsmasse im Falle von Wechselwirkungen mit Elektronen unterhalb des GeV-Bereichs liegen könnte, abhängig von dem Hochgeschwindigkeits-Schwanz der DM-Verteilung in der Sonne, was ein neues Massenfenster für die Suche nach dieser Art von Atomen eröffnen würde Szenarien.