[論文レビュー] AMS-02 Antiprotons from Annihilating or Decaying Dark Matter

Koichi Hamaguchi, Takeo Moroi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、AMS-02が検出した反陽子が、消滅または崩壊するダークマター（DM）に起因する可能性を調査しており、TeVスケールのDM候補に注目している。結果として、質量が約3 TeVのWino DMおよびR対称性の破れを伴う重力スティーブ DM は、宇宙論的および天体物理学的制約を満たしつつ、高エネルギー反陽子フラックスを説明可能であることが判明した。

ABSTRACT

Recently the AMS-02 experiment reported an excess of cosmic ray antiprotons over the expected astrophysical background. We interpret the excess as a signal from annihilating or decaying dark matter and find that the observed spectrum is well fitted by adding contributions from the annihilation or decay of dark matter with mass of O(TeV) or larger. Interestingly, Wino dark matter with mass of around 3 TeV, whose thermal relic abundance is consistent with present dark matter abundance, can explain the antiproton excess. We also discuss the implications for the decaying gravitino dark matter with R-parity violation.

研究の動機と目的

• AMS-02の高エネルギー反陽子フラックス（≥100 GeV）の過剰が、ダークマターの消滅または崩壊によって説明可能かどうかを明らかにすること。
• 超対称性およびR対称性の破れの枠組みにおいて、特定のTeVスケールのダークマター候補（Winoおよび重力スティーブ）の妥当性を評価すること。
• これらのDMモデルが、宇宙マイクロ波背景放射、ビッグバン核合成、ガンマ線観測から得られる宇宙論的制約を満たしているかどうかを評価すること。
• 提案されたDMシナリオが、既存の宇宙線陽電子およびガンマ線データと整合的であるかどうかを調査すること。

提案手法

• 太陽のモodulation効果を無視して、T ≳ 50 GeVの領域において、3次元円柱型拡散方程式を用いて反陽子フラックスをモデル化した。
• Ref. [9] からのパラメータを用いて、MIN、MED、MAXの3つの拡散モデルに対して、K(T) = K₀β(p/GeV)^δ でパrameter化された拡散係数を採用した。
• エネルギーに依存する断面積をRef. [7,8] から取り入れ、反陽子が恒星間水素およびヘリウムに衝突して消滅する項 Γ_ann(T) = (n_H + 4^{2/3}n_He)σ_p̄p^ann v(T) を含めた。
• DM消滅（⟨σv⟩ρ²/m_DM²に比例）および崩壊（ρ/m_DMτ_DMに比例）の源項 Q(T, r) を定義し、Pythia 6.4を用いてNLO QCDスペクトルを用いた。
• 輸送方程式を解析的に解き、フラックス Φ̄_p^DM(T) = v(T)/(4π) × G̃(T) × dN̄_p/dT を導出した。
• χχ → W⁺W⁻ および χ → W±ℓ∓ のスペクトルをAMS-02のデータと比較した。b̄b最終状態のスペクトルを確認のためのチェックとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量がO(TeV)の消滅または崩壊するダークマターが、エネルギーが≥100 GeVのAMS-02の反陽子フラックスの過剰を説明可能か？
• RQ2 質量が約3 TeVのWinoダークマターは、熱的残り滓密度とAMS-02の反陽子データの両方に整合的か？
• RQ3 R対称性の破れを伴う質量が数TeVの重力スティーブダークマターは、AMS-02の反陽子フラックスを説明可能であり、宇宙論的制約を満たすか？
• RQ4 宇宙マイクロ波背景放射、ビッグバン核合成、ガンマ線観測からの制約は、これらのDMモデルの妥当性にどのように影響するか？

主な発見

• 質量が2–3 TeVのWinoダークマターは、高エネルギー領域（≥100 GeV）におけるAMS-02の反陽子フラックスを成功裏に説明可能であり、熱的残り滓密度とも整合的である。
• Wino DMの要請される消滅断面積は、m_DM ≈ 3 TeVのとき ⟨σv⟩ ≈ 1×10⁻²⁴ cm³s⁻¹ であり、PlanckによるCMB制約（⟨σv⟩/m_DM ≲ 4×10⁻²⁸ cm³s⁻¹GeV⁻¹）を満たしている。
• 質量が数TeV以上でR対称性の破れを伴う重力スティーブダークマターもAMS-02のデータを説明可能であり、適切な残り滓密度を達成するためには再加熱温度 T_R ≲ 10⁹ GeV が必要である。
• MEDおよびMAXの拡散モデルは、Fermi-LATの拡散ガンマ線背景およびHESSのガンマ線ライン限界を満たしており、特にやや緩いDM密度コア型プロファイルの下で顕著である。
• PAMELAおよびAMS-02の宇宙線陽電子データは、Winoまたは重力スティーブDMのMEDおよびMAXモデルを除外しないが、重力スティーブの崩壊がW±e∓に至る場合、m_3/2/2に鋭い陽電子エッジが予想される。
• MINの拡散モデルは、必要な⟨σv⟩が大きすぎるためCMB制約を満たせず、このシナリオでは除外される。