[論文レビュー] Hunting for dark matter subhalos among the Fermi-LAT sources with VERITAS

D. Nieto|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、フェルミ-LATとVERITASの観測を組み合わせ、高エネルギー（HE）および非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線データを用いて、のへん銀河におけるダークマター準準子の探索を実施した。2FGL J0545.6+6018および2FGL J1115.0−0701という2つの未関連フェルミ-LAT源が、ダークマター準準子候補として特定された。スペクトル適合では、WIMP質量が78.3 GeV（b̄b最終状態）および89.2 GeV（W⁺W⁻）に一致し、標準的な天体物理学的説明とは食い違う可能性のあるダークマター信号を示唆している。

ABSTRACT

The distribution of dark matter in the Galaxy, according to state-of-the-art simulations, shows not only a smooth halo component but also a rich substructure where a hierarchy of dark matter subhalos of different masses is found. We present a search for potential dark matter subhalos in our Galaxy exploiting the high (HE, 100 MeV -- 100 GeV) and very-high-energy (VHE, >100 GeV) gamma-ray bands. We assume a scenario where the dark matter is composed of weakly interacting massive particles of mass over 100 GeV, and is capable of self-annihilation into standard model products. Under such a hypothesis, most of the photons created by the annihilation of dark matter particles are predicted to lay in the HE gamma-ray band, where the Fermi-Large Area Telescope is the most sensitive instrument to date. However, the distinctive spectral cut-off located at the dark matter particle mass is expected in the VHE gamma-ray band, thus making imaging atmospheric Cherenkov telescopes like VERITAS the best suited instruments for follow-up observations and the characterization of a potential dark matter signature. We report on the ongoing VERITAS program to hunt for these dark matter subhalos, particularly focusing on two promising dark matter subhalo candidates selected among the Fermi-LAT Second Source Catalog unassociated high-energy gamma-ray sources.

研究の動機と目的

• フェルミ-LAT 2FGLカタログに由来する未関連の高エネルギーガンマ線源を用いて、のへん銀河におけるダークマター準準子の特定を目的とする。
• VERITASを用いたVHEガンマ線フォローアップ観測により、未関連HE源がダークマター準準子であるという仮説を検証することを目的とする。
• 観測されたスペクトルエネルギー分布を理論的散乱モデルに適合させることで、弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）の性質を制約することを目的とする。
• 矮星系における既存の制限と比較して、導出されたJ要因および散乱断面積をもとに、これらの源がダークマター候補として妥当であるかを評価することを目的とする。
• 次世代の装置（例えばチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA））を用いた、将来的なダークマター準準子の発見可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• フェルミ-LAT 2FGLカタログから、高銀緯度、変動性の欠如、マルチバンド対応源の不在、およびVERITASからの観測可能性を満たす候補源を選定した。
• ダークマター準準子からのガンマ線放射を検出するために、VHEバンド（85 GeV – 30 TeV）で深いVERITAS観測を実施した。
• 7年間のフェルミ-LATデータとVERITAS VHEデータを統合し、各候補源のスペクトルエネルギー分布（SED）を構築した。
• 自己散乱がb̄b、W⁺W⁻、μ⁺μ⁻、τ⁺τ⁻最終状態にそれぞれ100%の分岐比で起こると仮定し、理論的WIMP散乱スペクトルにSEDを適合させた。
• 各源のJ要因（天体物理学的要因）を計算し、矮星系観測から得られた95%信頼区間の制限と比較した。
• 各散乱チャンネルの適合度を評価するために、自由度あたりのカイ二乗統計量（χ²/d.o.f.）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高銀緯度に位置する未関連フェルミ-LAT源は、VHEガンマ線放射によってダークマター準準子として説明可能だろうか？
• RQ2 HEおよびVHEスペクトル適合を統合して得られた2つの候補源について、最適なWIMP質量および散乱断面積は何か？
• RQ3 導出されたJ要因および散乱断面積は、矮星系からの既存の制限とどのように比較されるか？
• RQ4 b̄b、W⁺W⁻、μ⁺μ⁻、τ⁺τ⁻のうち、どのWIMP散乱最終状態が2FGL J0545.6+6018の観測SEDに最もよく適合するか？
• RQ5 代替的な天体物理学的説明（例：電波が弱いパルサー）は、観測された放射をどの程度まで説明可能だろうか？

主な発見

• 2FGL J0545.6+6018のスペクトルエネルギー分布（SED）は、W⁺W⁻最終状態へのWIMP散乱によって最もよく適合され、WIMP質量は89.2 GeV、自由度あたりのカイ二乗統計量は0.74となった。
• 2FGL J0545.6+6018のSEDは、b̄b最終状態への散乱に対しても妥当な適合を示し、WIMP質量は78.3 GeV、自由度あたりのカイ二乗統計量は1.04となった。
• 2FGL J0545.6+6018の導出されたJ要因は、最も有望な矮星系であるウラス・マジョリスIIのJ要因よりも1桁大きい値であった。
• b̄b最終状態（78.3 GeV WIMP）の散乱断面積は、矮星系観測から得られた95%信頼区間の1.0×10⁻²⁵ cm³s⁻¹以下であった。
• W⁺W⁻最終状態（89.2 GeV WIMP）の散乱断面積は、矮星系観測から得られた95%信頼区間の1.6×10⁻²⁵ cm³s⁻¹以下であったが、わずかに制限と食い違いを示した。
• 2FGL J1115.0−0701は放射の変動性と高銀緯度を示しており、ブレーザーである可能性がある。赤方偏移に依存するが、VHE放射が検出可能である可能性があり、継続的な監視が推奨される。