[論文レビュー] Dark matter annihilation at cosmological redshifts: possible relic signal from weakly interacting massive particles annihilation

A. N. Baushev|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における弱い相互作用をもつ大質量粒子（WIMPs）の対消滅が、現在も検出可能な残響銀河赤外線背景を生成すると提案している。この背景は約8 MeVでピークに達し、宇宙が赤方偏移 z ≈ 300 で透明性を示した際に発生した消滅生成物に起因する。もしダークマター構造が再結合以前に形成されていた場合、0.5–20 MeV 範囲で検出可能な放射度が得られる。

ABSTRACT

We discuss the possibility to observe the products of dark matter annihilation that was going on in the early Universe. Of all the particles that could be generated by this process we consider only photons, as they are both uncharged and easily detectable. The earlier the Universe was, the higher the dark matter concentration $n$ and the annihilation rate (proportional to $n^2$) were. However, the emission from the very early Universe cannot reach us because of the opacity. The main part of the signal was generated at the moment the Universe had just become transparent for the photons produced by the annihilation. Thus, the dark matter annihilation in the early Universe should have created a sort of relic emission. We obtain its flux and the spectrum. If weakly interacting massive particles (WIMPs) constitute dark matter, it is shown that we may expect an extragalactic gamma-ray signal in the energy range 0.5 - 20 {MeV} with a maximum near 8 {MeV}. We show that an experimentally observed excess in the gamma-ray background at 0.5 - 20 {MeV} could be created by the relic WIMPs annihilation only if the dark matter structures in the universe had appeared before the universe became transparent for the annihilation products ($z \simeq 300$). We discuss in more detail physical conditions whereby this interpretation could be possible.

研究の動機と目的

• 初期宇宙におけるダークマター対消滅が検出可能な残響ガンマ線背景を生成できるかどうかを調査すること。
• 今日の観測においてその信号が検出可能となる赤方偏移および物理的条件を特定すること。
• 0.5–20 MeV の範囲で観測された銀河間ガンマ線背景の過剰分をWIMP対消滅によって説明可能かどうかを評価すること。
• 光子生成に注目した、WIMP対消滅に起因するスペクトルおよび放射度のモデル化。

提案手法

• ダークマター数密度 n² の二乗に比例する形で対消滅率をモデル化し、赤方偏移が低下するにつれて増加することを考慮する。
• WIMP対消滅に起因する光子放出スペクトルを計算し、高い検出可能性と電荷の欠如を理由に光子に限定して分析する。
• 宇宙が光子に対して透明性を示した時期（推定赤方偏移 z ≈ 300）を特定し、最大放射が発生した時期を同定する。
• WIMPs がダークマター成分を占めると仮定し、その結果生じる銀河間ガンマ線放射度およびスペクトルを計算する。
• 予測された放射度を観測されたガンマ線背景レベルと比較することで、信号の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙におけるWIMP対消滅に起因する銀河間ガンマ線背景の期待スペクトルおよび放射度は何か？
• RQ2 残響信号への最大寄与が生じる赤方偏移は何か？ そのエポックを特徴づける物理的条件は何か？
• RQ3 0.5–20 MeV のガンマ線背景における観測された過剰分が、残響WIMP対消滅に起因するとみなせる条件は何か？
• RQ4 再結合以前にダークマター構造が形成された場合、残響対消滅信号の検出可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• WIMP対消滅に起因する残響ガンマ線信号は、エネルギースペクトルで約8 MeV でピークに達する。
• 信号の主な寄与は、宇宙が光子に対して透明性を示した時期、すなわち赤方偏移 z ≈ 300 付近に起因する。
• 0.5–20 MeV の範囲で観測された銀河間ガンマ線背景の過剰分は、WIMP対消滅に起因するものと説明可能であるが、その条件はダークマター構造が z ≈ 300 より前に形成されていた場合に限る。
• 予測された放射度は 0.5–20 MeV 範囲に位置し、将来的な高感度ガンマ線望遠鏡によって検出可能である可能性がある。
• 対消滅率は n² に比例しており、初期宇宙で最も高かったが、光子の不透明性のため、それ以前のエポックからの放射は我々に到達しなかった。
• 信号はWIMPsがダークマター候補である場合に最も顕著であり、光子スペクトルは対消滅プロセスおよび宇宙論的膨張の両者によって形作られる。