[論文レビュー] Constraints on mixed dark matter model of particles and primordial black holes from the Galactic 511 keV line

Rong-Gen Cai, Xing-Yu Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、粒子と原始ブラックホール（PBH）を併せ持つ混合したダークマター（DM）モデルを調査し、PBHが密度スパイクを介して陽電子生成を増幅させることで、DM中のPBH割合が制約されることを示している。励起状態のダークマター（XDM）では、10 GeV〜1 TeVの質量範囲で、質量に依存する転換点において f_PBH ≲ 10⁻¹¹ の最も厳しい制約が得られ、一方で軽いダークマター（1〜3 MeV）は依然として弱い制約を受ける。

ABSTRACT

The 511 keV line was first detected in 1970's but its origin is still unknown. It was proposed that positrons from dark matter (DM) particles in the halo of galaxy are possible sources. We consider a mixed DM model consisting of DM particles and primordial black holes (PBHs). With the existence of PBHs, the DM particles may be gravitationally bound to the PBHs and form halo around PBHs with density spikes. These density spikes can enhance the production rate of positrons from DM particles, thus they are constrained by the observations of 511 keV line. We compute the profile of the density spikes, and get the constraints on the fraction of PBHs in DM $f_{\mathrm{PBH}}$ for light dark matter (LDM) scenario and excited dark matter (XDM) scenario respectively. For LDM with mass in the range of $1\mathrm{MeV} \sim 3\mathrm{MeV}$, the constraints are loose. For XDM with mass in the range of $10\mathrm{GeV} \sim 1\mathrm{TeV}$, the constraints have $M_{\mathrm{PBH}}^{-2}$ slope in the relative small mass range, and roughly have $M_{\mathrm{PBH}}^{2/5}$ slope in the relative large mass range. The most stringent constraint $f_{\mathrm{PBH}} \lesssim 10^{-11}$ appears at the turning point which depends on the mass of XDM.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBH）が銀河ハロー内のダークマター（DM）陽電子生成に与える影響を調査すること。
• PBH周囲の密度スパイクを通じて、PBHが511 keVの陽電子消失線をどのように増幅させ得るかを評価すること。
• 511 keV線の観測限界を用いて、ダークマター成分におけるPBH割合 f_PBH の観測的制約を導出すること。
• 軽いDM（1〜3 MeV）と励起状態のDM（10 GeV〜1 TeV）の異なるダークマター状況における制約を比較すること。

提案手法

• PBH周囲の重力的ポテンシャルをモデル化し、ハロー内でのダークマター粒子の密度プロファイルを計算することで、密度スパイクを生成する。
• PBHが引き起こす重力的集束効果によって修正されたナヴァロ＝フレンク＝ホワイト（NFW）型プロファイルを用いて、PBH付近での増幅されたダークマター密度を推定する。
• 密度スパイクの増幅要因にスケーリングされた、ダークマターの消失による陽電子生成レートを計算する。
• 511 keVガンマ線線の放射線フラックスに対する観測限界を適用し、ダークマター中のPBH割合 f_PBH を制約する。
• 軽いダークマターと励起状態のダークマターの両状況において、f_PBH の制約がPBH質量（M_PBH）にどのように依存するかを導出する。
• M_PBH⁻² と M_PBH²/⁵ のスケーリング領域の遷移を分析することで、制約が最も厳しいPBH質量スケールを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始ブラックホール（PBH）は、銀河ハロー内のダークマター粒子の密度分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 PBHは、ダークマター消失を通じて、陽電子生成レートをどの程度増幅させ得るか？
• RQ3 511 keV線に基づく観測的制約として、ダークマター成分におけるPBH割合 f_PBH に課される制約は何か？
• RQ4 軽いダークマターと励起状態のダークマターの両状況において、f_PBH の制約はPBH質量にどのように依存するか？
• RQ5 励起状態のダークマターにおいて、f_PBH の制約が最も厳しいPBH質量は何か？

主な発見

• 軽いダークマター（1〜3 MeV）では、消失断面積が低く、スパイク増幅も限られるため、f_PBH の制約は弱い。
• 励起状態のダークマター（10 GeV〜1 TeV）では、低質量PBH範囲において f_PBH が M_PBH⁻² に従う依存性を示す。
• 高質量PBH範囃では、f_PBH が M_PBH²/⁵ に従う依存性を示し、スケーリング行動の遷移が示唆される。
• 最も厳しい制約 f_PBH ≲ 10⁻¹¹ は、励起状態のダークマター状況における質量依存の転換点で得られる。
• 転換点の質量はダークマター粒子の質量に依存し、XDM粒子が重いほど、最適な制約がより高いPBH質量にシフトする。
• 結果は、特に励起状態のダークマターフレームワークにおいて、511 keV線によって混合ダークマターにおけるPBHが強く制約されることを示している。