[論文レビュー] Combined analyses of the antiproton production from cosmic-ray interactions and its possible dark matter origin

Pedro De la Torre Luque|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 110被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、二次宇宙線比（B/C、Be/B、Li/Be）およびアンチプロトン対プロトン比（¯p/p）のマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）解析を統合し、宇宙線伝搬パラメータおよび断面積の不確実性を制約する。AMS-02の¯p/pスペクトルのエネルギー依存性は、純粋に二次的起源によってよく説明され、約10%の過剰は、ダークマターのWIMP信号ではなく、アンチプロトン生成断面積を10%ずつ再スケーリングすることによって最もよく説明される。

ABSTRACT

Recent cosmic-ray (CR) studies have claimed the possibility of an excess on the antiproton flux over the predicted models at around $10$ GeV, which can be the signature of dark matter annihilating into hadronic final states that subsequently form antiprotons. However, this excess is subject to many uncertainties related to the evaluation of the antiproton spectrum produced from spallation interactions of CRs. In this work, we implement a combined Markov-Chain Monte Carlo analysis of the secondary ratios of B, Be and Li and the antiproton-to-proton ratio ($\bar{p}/p$), while also including nuisance parameters to consider the uncertainties related to the spallation cross sections. This study allows us to constrain the Galactic halo height and the rest of propagation parameters, evaluate the impact of cross sections uncertainties in the determination of the antiproton spectrum and test the origin of the excess of antiprotons. In this way, we provide a set of propagation parameters and scale factors for renormalizing the cross sections parametrizations that allow us to reproduce all the ratios of B, Be, Li and $\bar{p}$ simultaneously. We show that the energy dependence of the $\bar{p}/p$ ratio is compatible with a pure secondary origin. We find that the energy dependence of the evaluated $\bar{p}/p$ spectrum matches the AMS-02 data at energies above $\sim3$GeV, although there is still a nearly constant $\sim10\%$ excess of $\bar{p}$ over our prediction. We discuss that this discrepancy is more likely explained from a $\sim10\%$ scaling in the cross sections of antiproton production, rather than a component of dark matter leading to antiprotons. In particular, we find that the best-fit WIMP mass ($\sim 300$ GeV) needed to explain the discrepancy lies above the constraints from most indirect searches of dark matter and the resultant fit is poorer than with a cross sections scaling.

研究の動機と目的

• 約10 GeVにおける予測と観測されたアンチプロトンフラックスの長年の不一致を解消すること。
• 観測されたアンチプロトン過剰がダークマター崩壊によるものか、または散乱断面積の系統的不確実性によるものかを検証すること。
• 複数の二次的宇宙線比を用いて、伝搬パラメータ（拡散、ハロー高さなど）と断面積スケーリング係数を同時に制約すること。
• 断面積の不確実性がアンチプロトンスペクトル予測に与える影響と、過剰の有意性を評価すること。

提案手法

• AMS-02データを用いて、B/C、Be/B、Li/Be比および¯p/p比の統合MCMC解析を実施する。
• B、Be、Li生成の散乱断面積を再スケーリングするための余剰パラメータを組み込む。
• DRAGON2コードを用いて、銀河内での宇宙線伝搬およびアンチプロトン生成をシミュレートする。
• WIMPのハドロン終状態への崩壊によってダークマター寄与をモデル化し、質量と⟨σv⟩でパrameter化する。
• WIMP成分を含む・含まないの両方のフィットを比較し、有意性と間接検出制約との整合性を評価する。
• 新しいAMS-02 ¯p/pデータを用いて制約を強化し、残差の形状を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約10 GeVにおける観測されたアンチプロトン過剰は、二次的起源と整合するのか、それともダークマター成分を要するのか？
• RQ2 散乱断面積の不確実性がアンチプロトンスペクトル予測にどのように影響するか？
• RQ3 B、Be、Liおよび¯p/p比の同時フィットにより、伝搬パラメータと断面積スケーリング係数をより強固に制約できるか？
• RQ4 過剰を説明するために必要な最適なWIMP質量と崩壊断面積は何か？他の間接的探索と整合するか？
• RQ5 ¯p/pスペクトルの残差の形状は、WIMP信号に似ているのか、それとも系統的オフセットに似ているのか？

主な発見

• ¯p/pスペクトルのエネルギー依存性は、純粋に二次的起源によってよく再現され、10 GeVにおける残差は12%未満である。
• 3 GeV以上で観測されるアンチプロトンフラックスの一定した約10%の過剰は、アンチプロトン生成断面積を10%ずつ再スケーリングすることによって最もよく説明される。
• 過剰を説明するために必要な最適なWIMP質量は約300 GeVであり、これは大多数の間接的ダークマター探索からの制約を上回っており、断面積再スケーリングよりもフィットが悪い。
• 10%の断面積スケーリングを含むフィットのχ²値は、WIMP成分を含むフィットの約2倍低く、統計的に著しく優れたフィットであることが示された。
• 新しいAMS-02 ¯p/pデータの使用により、過去のデータよりも残差がなだらかになり、顕著な盛り上がり構造が弱まり、WIMP信号の可能性が低下した。
• 本分析により、B、Be、Liおよび¯p/p比を1σ不確実性内に同時に再現できる一貫性のある伝搬パラメータと断面積スケーリング係数のセットが得られた。