[論文レビュー] Dark matter conversion as a source of boost factor for explaining the cosmic ray positron and electron excesses

Zepeng Liu, Yue-Liang Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、多成分DMモデルにおける晩期のDM変換が、PAMELA、Fermi-LAT、HESSが観測した宇宙線陽電子および電子過剰を説明するための大きなブースト因子を生成できることを提案している。質量がほぼ degenerate な重いDM成分が、熱的脱結合後に強い相互作用を介して最も軽いDM成分に変換され、その結果、1 TeVのDM質量において約500のブースト因子が得られ、速度に依存する断面積や遅延崩壊を必要としない。

ABSTRACT

In interacting multi-component dark matter (DM) models, if the DM components are nearly degenerate in mass and the interactions between them are strong enough, the relatively heavy DM components can be converted into lighter ones at late time after the thermal decoupling. Consequently, the relic density of the lightest DM component can be considerably enhanced at late time. This may contribute to an alternative source of boost factor required to explain the positron and electron excesses reported by the recent DM indirect search experiments such as PAMELA, Fermi-LAT and HESS etc..

研究の動機と目的

• PAMELA、Fermi-LAT、HESSが報告した観測された宇宙線陽電子および電子過剰を説明すること。
• 速度に依存する断面積や遅延崩壊に依存しない、DM散乱における大きなブースト因子を生成する新たなメカニズムを同定すること。
• 熱的脱結合後に重いDM成分が最も軽いDM成分に変換されることで、その残存密度が増大し、結果として有効な散乱断面積が増大することを示すこと。
• 強い成分間相互作用と質量デジェネレート状態を有する多成分DMモデルにおいて、このメカニズムが実現可能であることを示すこと。

提案手法

• エンタロピー密度で正規化された数密度のボルツマン方程式を用いて、多成分DMの熱的進化をモデル化する。
• ボルツマン方程式に、熱的に平均化された断面積⟨σv⟩および⟨σijv⟩を介したDM散乱および変換過程を組み込む。
• 質量差および内部自由度に依存する、平衡状態における数密度比を記述する比r_ij(x) = Y_ieq(x)/Y_jeq(x)を導入する。
• スカラーおよびフェルミオン的DM成分、重いゲージボソンA、および三重項スカラーΔを含む簡略化されたラグランジアンを導入し、DMの相互作用および変換を媒介する。
• m_A ≈ 2m_2となるように調整することで、Aボソン交換チャネルにおける共鳴増幅を実装し、変換断面積を最大化する。
• 特定のパラメータを用いた数値計算により、散乱対変換断面積比wとその結果得られるブースト因子Bを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多成分DMモデルにおける晩期DM変換が、宇宙線陽電子および電子過剰を説明するのに十分な大きなブースト因子を生成できるか？
• RQ2 熱的脱結合後に成分間の変換過程が、最も軽いDM成分の残存密度をどのように増大させるか？
• RQ3 速度に依存する散乱断面積や不安定粒子の遅延崩壊を必要としない、大きなブースト因子を実現するパラメータ領域は何か？
• RQ4 提案されたモデルにおいて、共鳴条件m_A ≈ 2m_2が変換断面積をどの程度増幅させるか？

主な発見

• 1 TeVのDM質量において、約500のブースト因子が達成され、極端な微調整を必要とせずにPAMELAの陽電子過剰を説明可能である。
• モデルは、強い成分間相互作用と質量デジェネレート状態を介して、晩期の重いDM成分から最も軽いDM成分への変換により、大きなブースト因子を達成する。
• 散乱対変換断面積比w ≈ 1×10⁻⁵であり、散乱が支配的でないことを示しており、変換過程が残存密度増大の主因である。
• ゲージボソンAが共鳴状態にある（m_A ≈ 2m_2）場合、変換断面積は顕著に増幅され、ベンチマークシナリオでは質量スプリングがたった1%にとどまる。
• モデルは観測されたDM残存密度と整合しており、間接検出の制約を満たしており、直接散乱によるものではなく、変換による有効散乱断面積の増幅によって実現される。