[論文レビュー] Dark Matter Signals In Cosmic Rays?

S. Dado, Arnon Dar|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、300–800 GeVの範囲で報告された宇宙線電子の過剰（ATIC）および10–100 GeVの範囲で増加する陽電子分率（PAMELA）が、ダークマター起源を必要としないと主張している。代わりに、超新星の噴出物およびジェットからの宇宙線加速が、エネルギー損失および銀河間物質内での伝播が観測スペクトルを形作るとして説明できると示している。EGRETおよびFermi-LATが測定した拡散ガンマ線背景（GBR）は、普遍的なダークマター信号を排除する。

ABSTRACT

The flux of the diffuse gamma-ray background radiation (GBR) does not confirm that the excess in the flux of cosmic ray electrons between 300-800 GeV, which was measured locally with the ATIC instrument in balloon flights over Antartica, is universal as expected from dark matter annihilation. Neither does the increase with energy of the fraction of positrons in the cosmic ray flux of electrons in the 10-100 GeV range that was measured by PAMELA imply a dark matter origin: It is consistent with that expected from the sum of the two major sources of Galactic cosmic rays, non relativistic spherical ejecta and highly relativistic jets from supernova explosions.

研究の動機と目的

• 300–800 GeVの範囲で報告されたATICAの宇宙線電子過剰が、ダークマター消失反応ではなく、天体物理学的源によって説明可能かどうかを検証すること。
• 10–100 GeVの範囲でPAMELAが測定した陽電子分率の増加が、銀河間物質内での宇宙線衝突による二次的生成と整合するかどうかを評価すること。
• 観測された拡散ガンマ線背景（GBR）スペクトルが、ATICおよびPAMELAの信号のダークマター起源を排除するかどうかを評価すること。
• 超新星の噴出物およびジェットからの一次的および二次的電子／陽電子注入の組み合わせ効果を、エネルギー損失および銀河磁場内での伝播を含めてモデル化すること。
• ダークマターを仮定せずに、一次的注入（βs ≈ 2.2）と二次的生成（βs ≈ 2.7）の組み合わせによって観測された陽電子分率が再現可能であることを示すこと

提案手法

• 非相対論的球対称噴出物および相対論的ジェットからの超新星源スペクトルを、dFs/dE ∝ E^−βs（βs ≈ 2.2）のべき乗則で使用する。
• 電子のエネルギー損失モデルとして、逆コンプトン散乱およびシンクロtron放射を適用し、冷却時定数τcool(E) ≈ 2.85×10^8 y / (E/GeV)を用いる。
• 一次的電子の冷却による観測スペクトルをdFe/dE ∝ E^−3.2として導出し、定常状態における二次的電子ではdFe/dE ∝ E^−3.7とする。
• 陽電子分率を一次的（割合 ~0.7）および二次的（βs ≈ 2.7）成分の組み合わせとしてモデル化し、式(6)：(e⁺)/(e⁺+e⁻) ∝ (E^−4.5 + aE^−3.2)/(bE^−3.7 + (a/0.7)E^−3.2) を使用する。
• PAMELAデータに適合するパラメータa = 0.19およびb = 13.1をフィットし、ダークマターを仮定せず良好な一致を得た。
• EGRETおよびFermi-LATの拡散GBRスペクトルを、CR衝突による予想と比較し、1 GeV以上の過剰が認められず、ダークマター信号を排除した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300–800 GeVのATICA電子過剰は、ダークマター消失反応ではなく、天体物理学的宇宙線源によって説明可能か？
• RQ2 10–100 GeVの範囲で観測された陽電子分率の増加は、銀河間物質内での宇宙線衝突による二次的生成と整合するか？
• RQ3 測定された拡散ガンマ線背景（GBR）スペクトルは、ATICおよびPAMELAの異常を普遍的なダークマター起源とみなすのを排除するか？
• RQ4 超新星の噴出物およびジェットからの一次的および二次的電子および陽電子の注入を組み合わせることで、ダークマターを仮定せずPAMELAの陽電子分率を再現可能か？
• RQ5 逆コンプトン散乱およびシンクロtron放射によるエネルギー損失は、銀河円盤内での観測スペクトルをどのように形作るか？

主な発見

• EGRETおよびFermi-LATが測定した拡散ガンマ線背景（GBR）には、1 GeV以上で過剰が認められず、以前の主張とは対照的に、GeV領域の過剰のダークマター起源を排除する。
• 300–800 GeVのATIC電子過剰は、普遍的なダークマター信号とは整合せず、そのような信号がGBRに検出可能な過剰を引き起こすはずであるが、観測ではそのような過剰は認められない。
• PAMELAが測定した10–100 GeVの範囲における陽電子分率の増加は、一次的注入（βs ≈ 2.2）と二次的生成（βs ≈ 2.7）の組み合わせモデルでよく再現され、パラメータa = 0.19およびb = 13.1でフィットされた。
• 観測された陽電子分率は、二次的生成のみによる予想される減少とは整合せず、超新星の噴出物およびジェットのような一次的源が支配的であると示唆する。
• 高エネルギー電子の冷却時定数はτcool(E) ≈ 2.85×10^8 y / (E/GeV)であり、これによりスペクトルdFe/dE ∝ E^−3.2が得られ、HEAT、AMS、BETSによる直接測定と一致する。
• EGRET、Fermi-LAT、およびチェレンコフ望遠鏡による観測で、GeVまたはTeV領域のガンマ線を発する明るい、安定的、または一時的な源は検出されず、ガンマ線バーストなどの近接源がATIC過剰の説明である可能性を排除した。