[論文レビュー] Expectations of the Cosmic Antideuteron Flux

Sujie Lin, Xiao-Jun Bi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、AMS-02 B/Cおよび$\bar{p}/p$データで制約されたハドロン相互作用モデル（EPOS、QGSJET-II）と伝搬モデル（DC、DR、DR-2、DRC）を用いて、宇宙の反デュトリオンフラックスの包括的な不確実性解析を実施する。近い将来の実験では背景が検出に十分なほど低いため検出困難であるが、100 GeV未塔のダークマター粒子からのダークマター散乱信号は、サブゲルト領域で平坦で硬いスペクトルを示すため、依然として検出可能であることが判明した。

ABSTRACT

The cosmic antideuteron is a promising probe for the dark matter annihilation signature. In order to determine the DM signature, the background astrophysical antideuteron flux should be carefully studied. In this work we provide a new calculation of the secondary antideuteron flux, and pay special attention to the uncertainties from hadronic interaction models by using several Monte Carlo generators. The uncertainties from propagation effects are also carefully investigated for both the astrophysical background and DM annihilation signature in several scenarios, which are constrained by the latest B/C ratio measured by AMS-02. Considering these uncertainties, we find that the secondary antideuteron flux is hard to detect in the near future detectors. However, the antideuteron signature from dark matter annihilation will be detectable even considering the constraint from the AMS-02 observation of the $\bar{p}/p$ ratio.

研究の動機と目的

• ハドロン相互作用モデルの不確実性が二次反デュトリオンフラックス予測に与える影響を評価すること。
• 拡산、対流、再加速を含む伝搬モデルの不確実性が、背景およびダークマター反デュトリオンフラックスに与える影響を調査すること。
• 最新のAMS-02 $\bar{p}/p$比データを用いて、ダークマター散乱断面積を制約すること。
• 将来の実験感度の予測を踏まえて、ダークマター散乱からの反デュトリオン信号の検出可能性を評価すること。
• 将来の実験が、ダークマター信号と天体物理学的背景を区別できるかどうかを特定すること。

提案手法

• ポンピロンフレームワーク内でのモンテカルロ生成器EPOSおよびQGSJET-IIを用いて、反陽子および反中性子の生成をシミュレートした。
• 共析化モデルを適用して、二次反核子から反デュトリオンの形成を計算した。
• GALPROPを用いて、4つの伝搬モデル（DC、DR、DR-2、DRC）を用いて宇宙線伝搬方程式を解いた。
• AMS-02 B/C比データへのMCMCフィッティングを用いて、伝搬パラメータを制約した。
• 最新のAMS-02 $\bar{p}/p$比制約を用いて、ダークマター散乱断面積に影響を与えた。
• PYTHIAを用いて、$b\bar{b}$最終状態へのダークマター散乱をシミュレートし、NFWダークマター密度プロファイルを採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPOSとQGSJET-IIの間でのハドロン相互作用モデルの不確実性が、予測された二次反デュトリオンフラックスにどのように影響するか？
• RQ2 DC、DR、DR-2、DRCといった異なる伝搬モデルが、サブゲルトエネルギー領域における予測フラックスにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 AMS-02 B/C比および$\bar{p}/p$比からの制約が、ダークマター散乱断面積の上限にどのように影響するか？
• RQ4 反デュトリオンフラックスが、AMS-02やGAPSといった将来の実験で背景の不確実性を考慮しても検出可能かどうか？
• RQ5 なぜ伝搬ハローのサイズ$L$が、ダークマター反デュトリオンフラックスに対して主要な不確実性であるのに対し、背景フラックスに対してはそれほど顕著ではないのか？

主な発見

• EPOSとQGSJET-IIという異なるハドロンジェネレータを用いた二次反デュトリオンフラックスは、数GeVの周辺で約2倍の差異を示す。
• 伝搬モデルの不確実性により、サブゲルト領域でフラックスが約3〜10倍の変動を示し、特にダークマター信号においてハローのサイズ$L$が主な不確実性要因である。
• 天体物理学的背景の反デュトリオンフラックスは、現在の不確実性を含めても、AMS-02 や GAPS といった近い将来の実験でも検出に十分なほど低く、検出困難である。
• 100 GeV未塔のダークマター粒子からのダークマター散乱信号は、サブゲルト領域で平坦で硬いスペクトルを示し、背景と区別されやすくなる。
• AMS-02 $\bar{p}/p$比からの厳密な制約のもとでも、$m_{\text{DM}} = 50\,\text{GeV}$、$100\,\text{GeV}$、$1000\,\text{GeV}$ のダークマター散乱シグナルは依然として検出可能であり、$\langle\sigma v\rangle$の上限はそれぞれ$(0.93, 3.10, 8.51)\times 10^{-26}\,\text{cm}^3\text{s}^{-1}$ である。
• ダークマター散乱からの反デュトリオンフラックスは、背景フラックスよりも$D_0$ や $L$ といった伝搬パrameterに敏感である。これは、ダークマターハロー内の広範な源分布と、背景源のディスク局在化の違いに起因する。