[論文レビュー] Astrophysical background and dark matter implication based on latest AMS-02 data

Hong-Bo Jin, Yue-Liang Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、最新のAMS-02データを用いて、GalpropコードとQGSJET-II-04強子相互作用モデルを用いた拡산-対流-再加速（DCR）伝搬モデル内で、宇宙線陽電子および反陽子背景を分析する。DCRモデルは、特異な源を必要とせず、陽子、陽電子、反陽子のAMS-02データをうまく再現できる。また、陽電子過剰を説明するため、ダークマター質量は400 GeVから4 TeVの範囲にあると予測される。

ABSTRACT

The cosmic ray(CR) positrons and antiprotons are often regarded as the collision products of CR nucleons with the interstellar medium. However this conclusion is challenged by recent experimental data. In this work, we choose the latest AMS-02 data to analyze the astrophysical background of CR positrons and antiprotons with the GALPROP code for CR propagation and the QGSJET-II-04 model for the hadronic interactions. The results show that in low energies the predicted fluxes of CR antiprotons and positrons are consistent with AMS-02 data in the diffusion model combining the re-acceleration and convection terms (DCR model). Thus, the excess of CR antiprotons in the low energy are not justified. In that model, the predicted flux of CR protons is consistent with AMS-02 data whose hardening feature above 330 GeV is also matched. Based on that model, the total fluxes of CR electrons and positrons from AMS-02 are also used to analyzed the interpretation of dark matter annihilation about the positron excess. The predicted best-fit masses of dark matter are from 400 GeV to 4 TeV. The DCR model does not give the unusual interpretation of the positron excess.

研究の動機と目的

• AMS-02データにおける観測された宇宙線陽電子および反陽子過剰が、標準的な天体物理学的背景を超える新しい物理を要するかどうかを特定すること。
• DCR（拡散-対流-再加速）モデルが、陽子、反陽子、陽電子、B/C比に関する高精度AMS-02データと整合するかどうかを検証すること。
• 予測される二次的背景とAMS-02測定値を比較することにより、ダークマター消失による影響を評価すること。
• 伝搬モデルの制約の下で、異なる宇宙線データセット（例：Be10/Be9、反陽子、陽電子）の間の矛盾を解消すること。

提案手法

• Galpropコードを用いて、銀河内での宇宙線伝搬をシミュレートし、拡散、対流、再加速効果を組み込む。
• QGSJET-II-04モデルを用いて、二次的反陽子および陽電子生成に寄与する強子相互作用を計算する。
• AMS-02データによる陽子フラックスとB/C比を用いて、伝搬パラメータ（例：拡散係数、ハロー高さ、アルフェン速度）を制約する。
• モデルは、陽電子フラックス、反陽子フラックス、ACEによるBe10/Be9比といった独立したデータに対してテストされる。
• MINUITを用いたパrameter最適化により、合計電子および陽電子フラックスをAMS-02データにフィットさせることで、ダークマター消失寄与を評価する。
• ダークマター消失断面積に対する制約を導出し、矮星族球状銀河におけるFermi-LATガンマ線データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対流および再加速項を含むDCRモデルは、ダークマターを仮定しなくても、AMS-02による宇宙線陽電子および反陽子の観測フラックスを適切に説明できるか？
• RQ2 合計電子および陽電子フラックスをAMS-02データにフィットさせた場合、ダークマター質量および消失チャネルにどのような意味があるか？
• RQ3 ACEからのBe10/Be9データを含めると、DCRモデルにおいて反陽子および陽電子データと矛盾が生じる理由は何か？
• RQ4 予測されるダークマター消失断面積は、Fermi-LATガンマ線観測によるものとどのように比較されるか？
• RQ5 330 GeV以上のエネルギーで見られる陽子スペクトルの硬化特徴は、DCRフレームワーク内で一貫して説明可能か？

主な発見

• DCRモデルは、330 GeV以上のエネルギーで見られる硬化特徴を含め、陽子、陽電子、反陽子のAMS-02データを、いかなる特異な源を必要とせずうまく再現できる。
• DCRモデルにおける宇宙線陽電子の予測フラックスは、AMS-02データと整合しており、いわゆる「陽電子過剰」が新たな天体物理学的源を必要としないことを示している。
• 陽電子過剰を説明する最良のフィットにおけるダークマター質量は、400 GeVから4 TeVの範囲にあり、Zボソン終状態が最も良いフィットを与える。
• 陽電子過剰を説明するために必要な消失断面積は、Fermi-LATガンマ線データから推定されるものよりも顕著に大きく、解釈に矛盾が生じていることを示唆している。
• DCRモデルは、反陽子および陽電子データをフィットから除外した場合にのみ、ACEデータとの整合性を持つBe10/Be9比を予測できる。これは、これらのデータセット間の矛盾を示している。
• モデルは、高エネルギー領域での反陽子データのわずかな過剰が、ダークマター解釈を強く制約しないことを示しており、反陽子チャネルにおける最良のフィットダークマター質量は300 GeVから700 GeVの範囲にある。