[論文レビュー] A possible link between the GeV excess and the 511 keV emission line in the Galactic Centre

Céline Bœhm, Paolo Gondolo+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、銀河中心のGeVガンマ線過剰と511 keVの陽電子消失線が、30 GeVのダークマターがbクォークに崩壊することで共通の起源を持つのかを調査している。更新された拡散モデルを用い、現実的な電子密度を組み込むと、陽電子のエネルギー損失が低エネルギー領域への蓄積を抑制し、予測される511 keVフラックスが約10⁻⁶ ph/cm²/sにまで低下する。これは観測値の約10⁻³ ph/cm²/sと比べて著しく小さいため、両者の信号に共通のダークマター起源は排除される。

ABSTRACT

The morphology and characteristics of the so-called GeV gamma-ray excess detected in the Milky Way lead us to speculate about a possible common origin with the 511 keV line mapped by the SPI experiment about ten years ago. In the previous version of our paper, we assumed 30 GeV dark matter particles annihilating into $b \\bar{b}$ and obtained both a morphology and a 511 keV flux (\\phi_{511 keV} ~ 10^{-3} ph/cm^2/s) in agreement with SPI observation. However our estimates assumed a negligible number density of electrons in the bulge which lead to an artificial increase in the flux (mostly due to negligible Coulomb losses in this configuration). Assuming a number density greater than $n_e > 10^{-3} cm^{-3}$, we now obtain a flux of 511 keV photons that is smaller than \\phi_{511 keV} ~ 10^{-6} ph/cm^2/s and is essentially in agreement with the 511 keV flux that one can infer from the total number of positrons injected by dark matter annihilations into $b \\bar{b}$. We thus conclude that -- even if 30 GeV dark matter particles were to exist-- it is impossible to establish a connexion between the two types of signals, even though they are located within the same 10 deg region in the galactic centre.

研究の動機と目的

• 30 GeVのダークマター候補がGeVガンマ線過剰を引き起こしている場合、それが銀河中心における511 keVの陽電子消失線の原因にもなるかどうかを検証すること。
• バルジ内でのクーロン損失が無視できるという仮定の下で、両者の信号を結びつける以前の主張の妥当性を評価すること。
• 銀河バルジ内の現実的な電子数密度を用いて、511 keV光子フラックスの予測を再評価すること。
• 陽電子の拡散およびエネルギー損失プロセスが、観測された511 keVフラックスとダークマターのb̄bへの崩壊によるものとを一致させられるかを検討すること。
• バルジ内で電子密度をゼロと仮定することで生じる非物理的な低エネルギー陽電子スペクトルの増幅を是正すること。

提案手法

• 30 GeVのダークマターがb̄bに崩壊する場合の陽電子拡散モデルを用い、クーロン散乱によるエネルギー損失を組み込んだ。
• GeV過剰を再現できるように、NFWダークマター密度プロファイル（ρ₀ = 0.36 GeV/cm³、rₛ = 30 kpc、γ = 1.2）を採用した。
• 断面積σv = 3×10⁻²⁶ cm³/sとメジャナ型ダークマター要因η = 1/2を用いて、全陽電子注入レートを計算した。
• mₘ = 30 GeVおよびρ₀ = 0.36 GeV/cm³の条件下で、1秒間に注入される陽電子数dNₑ⁺/dt ≈ 1.8×10⁴⁰ s⁻¹となった。
• Delahayeら（2008年）およびLacroixら（2014年）の3つのパラメータセット（MIN、MED、MAX）を用い、B = 3 μGおよびnₕ = 2 cm⁻³の条件下で、拡散された陽電子スペクトルをシミュレートした。
• 得られた511 keV光子フラックスを、観測値の約10⁻³ ph/cm²/sと比較し、非物理的な低エネルギー蓄積を避けるために電子密度nₑ > 10⁻³ cm⁻³を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 GeVのダークマターがb̄bに崩壊することで、銀河中心のGeVガンマ線過剰と511 keVの陽電子消失線の両方を説明できるか？
• RQ2 銀河バルジ内に非ゼロの電子密度を組み込むと、ダークマター由来の陽電子による予測される511 keVフラックスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 以前のモデルが低エネルギー領域に鋭いピークを持つ陽電子スペクトルを予測したが、これはなぜ物理的に不適切であり、電子密度がその問題をどのように解消するか？
• RQ4 現実的なエネルギー損失と拡散を考慮した場合、30 GeVのダークマターがb̄bに崩壊することで得られる最大の511 keVフラックスはどの程度か？
• RQ5 観測された511 keVフラックス（約10⁻³ ph/cm²/s）は、ダークマター崩壊による全陽電子注入レートと整合するか？

主な発見

• 電子密度nₑ > 10⁻³ cm⁻³の条件下で、30 GeVのダークマターがb̄bに崩壊する場合の予測される511 keV光子フラックスは約10⁻⁶ ph/cm²/sであり、観測値の約10⁻³ ph/cm²/sと比べて著しく小さい。
• 以前のモデルではクーロン損失を無視（nₑ → 0）したが、これにより低エネルギー陽電子スペクトルに非物理的なスパイクが生じ、フラックスの人工的増幅が約1000倍も発生していた。
• σv = 3×10⁻²⁶ cm³/sおよびmₘ = 30 GeVの条件下で、陽電子の注入レートは約1.8×10⁴⁰ s⁻¹と推定されたが、これは観測される511 keVフラックスを生成するには不十分である。
• 現実的な電子密度を用いることで、陽電子のエネルギー損失が低エネルギー領域への蓄積を防ぎ、拡散スペクトルに非物理的な鋭い特徴が消失した。
• このモデルは、30 GeVのダークマターがb̄bに崩壊する場合、GeV過剰と511 keV線の共通のダークマター起源が排除されることを結論づけた。
• フラックスの差異（1000倍）は、511 keV信号がこのようなダークマター候補に起因するには、追加の源やメカニズムが導入されない限り成立しないことを示唆している。