[論文レビュー] First Analysis of Jupiter in Gamma Rays and a New Search for Dark Matter

Rebecca K. Leane, Tim Linden|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線における木星の最初の専用フェルミ-LAT解析を提示しており、顕著な放射能は検出されず、放射線フラックスの上限が約10⁻⁹ GeV cm⁻² s⁻¹に設定された。また、木星の外で崩壊する長寿命な媒介粒子へと崩壊する、エネルギーが1 GeV未塔のダークマターの新規探索を提案し、DM-陽子散乱断面積の感度が10⁻⁴⁰ cm²まで達し、特定のモデルでは直接検出法よりも10桁も感度が高くなる。

ABSTRACT

We present the first dedicated $γ$-ray analysis of Jupiter, using 12 years of data from the Fermi Telescope. We find no robust evidence of $γ$-ray emission, and set upper limits of $\sim10^{-9}~$GeV cm$^{-2}\,$s$^{-1}$ on the Jovian $γ$-ray flux. We point out that Jupiter is an advantageous dark matter (DM) target due to its large surface area (compared to other solar system planets), and cool core temperature (compared to the Sun). These properties allow Jupiter to both capture and retain lighter DM, providing a complementary probe of sub-GeV DM. We therefore identify and perform a new search for DM-sourced $γ$-rays in Jupiter, where DM annihilates to long-lived particles, which can escape the Jovian surface and decay into $γ$-rays. We consequently constrain DM-proton scattering cross-sections as low as about $10^{-40}~$cm$^2$, showing Jupiter is up to ten orders of magnitude more sensitive than direct detection. This sensitivity is reached under the assumption that the mediator decay length is sufficient to escape Jupiter, and the equilibrium between DM capture and annihilation; sensitivities can be lower depending on the DM model. Our work motivates follow-up studies with upcoming MeV telescopes such as AMEGO and e-ASTROGAM.

研究の動機と目的

• 12年間のフェルミ-LATデータを用いて、木星における最初の専用ガンマ線解析を実施すること。
• 太陽系の天体としての木星を、長寿命な粒子に崩壊するダークマターの対消滅によって探査するためのターゲットとして検討すること。
• 木星の巨大なサイズと低温のコアを活用して、1 GeV未塔の質量範囲におけるダークマター-陽子散乱断面積を制約すること。
• 特定のモデルにおいて、直接検出実験よりも優れた感度を示す可能性を示すこと。
• 近い将来に運用予定のMeV帯望遠鏡（AMEGOやe-ASTROGAMなど）による今後の探索を促進すること。

提案手法

• 木星が45°以上離れた時期に、木星の周囲45°の領域におけるガンマ線フラックス測定値を用いて、データ駆動型のバックグラウンドモデルを構築した。
• 光子に「木星座標」を割り当て、それらが木星の位置からの角度ずれに応じて、源の局在化を最適化した。
• 低エネルギー（例：10 MeV）における広いポイントスプレッド関数を考慮し、高い固有運動を示す太陽系天体を対象に解析を最適化した。
• ダークマターが長寿命な媒介粒子に崩壊し、それらが木星を脱出し、ガンマ線に崩壊する場合の信号モデルを新たに開発した。
• ダークマター捕獲と対消滅の間で平衡状態が成立し、十分な長寿命の媒介粒子が脱出可能であるという仮定の下で感度を計算した。
• さまざまなダークマスと媒介粒子の寿命を想定した条件下で、観測されたフラックスと予測信号を比較し、制限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 木星は、宇宙線の相互作用やダークマター対消滅によって検出可能なガンマ線放射を発することができるか？
• RQ2 長寿命な媒介粒子が木星の外で崩壊する場合、木星は1 GeV未塔のダークマターを探索するための実現可能なターゲットとみなせるか？
• RQ3 低質量ダークマターに対して、木星ベースのガンマ線探索の感度は直接検出実験と比べてどの程度か？
• RQ4 この新しい木星ガンマ線解析によって、ダークマター-陽子散乱断面積にどのような制限が得られるか？
• RQ5 どのようなパrameter空間において、太陽や地球といった他の天体と比較して、木星がダークマター検出において優位性を示すか？

主な発見

• 木星からの顕著なガンマ線放射は検出されず、木星ガンマ線フラックスの上限が約10⁻⁹ GeV cm⁻² s⁻¹に設定された。
• 1 GeV未塔のダークマターに対して、ダークマター-陽子散乱断面積の上限が約10⁻⁴⁰ cm²まで制約された。これは直接検出法の上限を著しく上回る。
• 木星の巨大な表面積と低温コアは、特に太陽と比較して、軽いダークマターを捕獲・保持するのに特に適している。
• 長寿命な媒介粒子のシナリオにおいて、本検索の感度は、従来の太陽および褐色矮星の制限を最大10桁も上回る。
• 本手法は1 GeV未塔のダークマス範囲で最も感度が高く、電子、ミューオン、またはパイオニオンの最終状態からのやわららかなガンマ線スペクトルに対しても有効である。
• 将来的に、AMEGO や e-ASTROGAM といったMeV帯望遠鏡が、低エネルギーガンマ線領域におけるさらに強い制限を提供することが期待される。