[論文レビュー] Gamma Rays from Near-Solar WIMP Annihilations

Dan Hooper|ArXiv.org|Mar 26, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、重力的捕獲によって太陽に捕獲された弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）のうち、太陽外部で相互作用が起こる割合を計算し、その値が極めて小さい——全崩壊の約10^{-16}——ことを見いだし、このような源からのガンマ線検出は極めて不確実であると結論づけている。研究では、理想的な検出器でさえも、イベントレートが著しく低いため観測不可能であり、現行または近い将来の技術ではこの信号は検出不能であると結論している。

ABSTRACT

If weakly-interacting massive particles (WIMPs) make up the galactic dark matter halo, high densities of such particles would exist near massive bodies, such as the sun. The resulting annihilations are believed to produce neutrinos, gamma rays and other decay products. If any significant fraction of such annihiliations occur outside of the sun itself, gamma rays may be observable by detectors on Earth. This paper describes a calculation to determine the fraction of solar-captured WIMP annihiliations which occur outside of the sun. The implications of this result on experimental searches is also discussed. We find that the prospect of detecting gamma rays from near-solar WIMP annihilations is very poor.

研究の動機と目的

• 太陽に捕獲されたWIMPのうち、太陽内部ではなく外部で崩壊する割合を特定すること。
• 現行または計画中の検出器を用いて、これらの外部崩壊からのガンマ線を検出可能かどうかを評価すること。
• 太陽内部のWIMP崩壊から発するニュートリノと比較して、太陽周辺のWIMP崩壊からのガンマ線の検出可能性を評価すること。
• WIMP-WIMP相互作用断面積およびWIMP質量が、将来的なガンマ線信号に与える影響を評価すること。

提案手法

• WIMP銀河潮の分布をモデル化するために、rms速度270 km/sのマクスウェル＝ボルツマン速度分布を用いたモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 軌道力学を単純化するため、WIMPの角運動量をゼロ（直接通過）と仮定して、太陽内を通過するWIMPの軌道を追跡した。
• 各重力的相互作用後にエネルギー保存則とケプラーの法則を用いて、半長径と公軌道周期を計算した。
• 全太陽捕獲が発生する（半長径 < 太陽半径）まで、WIMPのエネルギー損失と軌道パラメータを繰り返し更新した。
• WIMP-WIMP相互作用断面積を約10^{-35} cm²として、外部に滞在した総距離と時間を統合し、崩壊確率を推定した。
• 太陽捕獲レート（約10²¹ WIMP/sec）を用いてWIMP密度を正規化し、太陽半径の約2倍まで一様分布と仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽に捕獲されたWIMPのうち、太陽内部ではなく外部で崩壊する割合はどの程度か？
• RQ2 WIMP-WIMP崩壊断面積が、太陽周辺の崩壊からの観測可能なガンマ線放射に与える影響は何か？
• RQ3 現行または計画中のガンマ線検出器が、現実的な信号強度のもとで、これらの外部崩壊からのガンマ線を観測可能か？
• RQ4 予想されるガンマ線イベントレートは、内部WIMP崩壊に敏感なニュートリノ望遠鏡のそれと比べてどの程度か？

主な発見

• 典型的なWIMP質量（100–1000 GeV）およびWIMP-WIMP相互作用断面積のもとで、太陽外部で発生するWIMP崩壊の割合は10^{-16}未満である。
• 最も楽観的な仮定のもとでも、100 km²の有効面積を備えたガンマ線検出器であっても、100年間で1件未満のイベントしか観測されない。
• 予想されるガンマ線イベントレートは、同等の検出器を用いたニュートリノ検出レートと比較して、少なくとも16桁低い。
• WIMPが光子に崩壊する分岐比は一般的に小さいため、すでに極めて小さいガンマ線信号はさらに小さくなる。
• エネルギーに敏感な検出器（例：GLAST）は、WIMP崩壊に起因するスペクトル線を理論的には区別可能であるが、信号は依然として検出不能なほど弱い。
• 惑星の重力的摂動は、太陽周辺のWIMP密度をわずかに増加させる可能性があるが、その効果は2倍未満であり、検出可能性の向上には寄与しない。