[論文レビュー] Cosmic ray backgrounds for dark matter indirect detection

Philipp Mertsch|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 331被引用数 7

ひとこと要約

本学位論文は、宇宙線の過剰（特に陽電子分率の上昇とWMAPのハース）を、暗黒物質の消失によるものと解釈することを挑戦する。この論文は、これらの特徴が超新星残骸などの天体物理的源に起因するとし、宇宙線の破砕および加速のモデルを用いて、Fermi-LATのデータを再現し、暗黒物質を前提としない陽電子分率の予測を行う。主な結果は、従来の天体物理学が異常を説明可能であり、暗黒物質の主張を揺るがすものである。

ABSTRACT

Recently, dark matter indirect searches have gained a lot of attention, mostly due to the possibility of recent anomalies in cosmic rays and microwave sky maps being due to the annihilation or decay of dark matter. In this thesis, we argue however that these signals are plagued by irreducible astrophysical backgrounds and show how plausible conventional physics can mimic the alleged dark matter signals. In particular, we consider the possibility that the rise in the positron fraction observed by the PAMELA satellite is due to the production through (hadronic) cosmic ray spallation and subsequent acceleration of positrons, in the same sources as the primary cosmic rays. We present a new analytical estimate of the range of possible fluctuations in the high energy electron flux due to the discreteness of plausible cosmic ray sources. Fitting our result for the total electron-positron flux measured by the Fermi satellite allows us to fix the only free parameter of the model and make an independent prediction for the positron fraction. This model can be tested by considering similar effects expected for nuclear secondary-to-primary ratios such as B/C. A rise predicted above O(100) GeV/n would be an unique confirmation of our explanation for a rising positron fraction and rule out the dark matter explanation. Furthermore, we review the assumptions made in the extraction of the `WMAP haze' which has also been claimed to be due to electrons and positrons from dark matter annihilation in the Galactic centre region. We argue that the energy-dependence of their diffusion makes the extraction of the haze through template fitting unreliable. The systematic effects introduced by this can, under specific circumstances, reproduce the residual, suggesting that the `haze' may be just an artefact of the template subtraction.

研究の動機と目的

• 本論文は、観測された宇宙線の異常（特に陽電子分率の上昇とWMAPのハース）が、暗黒物質ではなく、従来の天体物理学によって説明可能かどうかを調査することを目的としている。
• PAMELAおよびFermiが測定した陽電子過剰が、超新星残骸における二次的陽電子生成によって再現可能であることを示すことを目的としている。
• 本研究は、B/C比のような二次対一次比を用いて、モデルが正しければ約100 GeV/n以上で上昇するかどうかを検証することを目的としている。
• WMAPのハースを抽出する際に用いられるテンプレートベースの手法の信頼性に疑問を呈し、系統的誤差が残差をアーチファクトとして生じさせうると主張している。
• 最終的な目的は、暗黒物質の間接検出信号を、異方的物理を前提としない自己一貫性のある天体物理学的説明で提供することである。

提案手法

• モデルは、一次宇宙線を生成する源（例：超新星残骸）と、宇宙線の破砕および加速が同一の源で起こると仮定している。
• 特に超新星残骸の離散的性質に起因するフラックスのゆらぎについて、解析的推定値を用いている。
• Fermi-LATが測定した全電子・陽電子スペクトルにフィットさせ、モデルの唯一の自由パラメータを制約することで、陽電子分率の独立した予測が可能になる。
• モデルは、約100 GeV/n以上でB/C比に顕著な上昇を予測しており、これは陽電子過剰の天体物理学的起源を確認するための特徴的な観測的テストとなる。
• WMAPのハースに関しては、低周波数電波放射を用いたテンプレート減算を再評価し、平均値を差し引いたマップに起因する系統的誤差を特定している。
• スペクトル指数の決定方法を改訂し、負の強度を避けるために最小強度オフセットを導入することで、ピクセル単位の解析における物理的整合性を確保している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙線の陽電子分率の上昇は、暗黒物質を前提とせず、超新星残骸のような天体物理的源における二次的生成および加速によって説明可能だろうか？
• RQ2 本モデルは、約100 GeV/n以上でボロン対炭素（B/C）比に検出可能な上昇を予測するだろうか？ これは天体物理学的説明を検証するための独自のテストとなる。
• RQ3 WMAPのハースは、実際の天体物理学的信号であるのか、それとも、低周波数電波放射のフィッティングにおける不適切なテンプレート減算手法によって生じたアーチファクトだろうか？
• RQ4 テンプレートフィッティングにおける系統的誤差、特に平均値を差し引いた天の川マップに起因する誤差は、拡散的マイクロ波放射特徴の抽出にどのように影響するだろうか？
• RQ5 破砕、加速、拡散を統合する、追加の仮定を必要としない自己一貫性のある宇宙線伝播モデルを構築可能だろうか？

主な発見

• モデルは、Fermi-LATが測定した全電子・陽電子スペクトルをうまくフィットし、陽電子分率についても観測と一致する独立した予測を可能にした。
• 陽電子分率の上昇は、多くの近隣の超新星残骸における二次的陽電子生成によって説明可能であり、暗黒物質の必要はない。
• B/C比に約100 GeV/n以上で上昇が予測され、これは陽電子過剰の天体物理学的起源を確認するための特徴的な観測的テストを提供する。
• WMAPのハースは、系統的誤差（特に平均値を差し引いたマップに起因するもの）によって生じる可能性があることが示され、実在の信号であるとは限らない。
• スペクトル指数の決定は、全体の強度オフセットに敏感である。最小強度オフセットを用いることで、ピクセル単位の解析における物理的整合性が保たれ、発散を回避できる。
• 本研究は、従来の天体物理学、特に超新星残骸源が、現在暗黒物質に帰属されている主要な異常を説明可能であると結論づけ、新しい物理の必要性を疑問視している。