[論文レビュー] Indirect Search for Dark Matter from the center of the Milky Way with the Fermi-Large Area Telescope

V. Vitale, A. Morselli|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、銀河中心における11か月間のFermi-LATデータの予備的分析を提示し、高エネルギーガンマ線を用いた間接的ダークマター信号の探索を目的としている。既知の天体物理学的背景（離散的源や拡散的銀河放射）をモデル化したが、2–5 GeVのエネルギー範囲で残留ガンマ線放射が依然として観測され、予期しない放射の可能性を示唆しているが、明確なダークマター信号は検出されなかった。

ABSTRACT

The Galactic Center region is expected to host the largest density of Dark Matter (DM) particles within the Milky Way. Then a relatively large gamma-ray signal would be expected from the possible DM particles annihilation (or decay). We are searching for the DM gamma-ray signal from the Galactic Center, which is also rich in bright discrete gamma-ray sources. Furthermore intense diffuse gamma-ray emission due to cosmic-ray interactions with interstellar gas and radiation is detected from the same direction. A preliminary analysis of the data, taken during the first 11 months of the Fermi satellite operations, is reported. The diffuse gamma-ray backgrounds and discrete sources, as we know them today, can account for the large majority of the detected gamma-ray emission from the Galactic Center. Nevertheless a residual emission is left, not accounted for by the above models. An improved model of the Galactic diffuse emission and a careful evaluation of new (possibly unresolved) sources (or source populations) will improve the sensitivity for a DM search.

研究の動機と目的

• ミルキーウェイで予測されるダークマター密度が最も高い場所である銀河中心からの高エネルギーガンマ線を用いた間接的ダークマター信号の探索。
• 離散的源や拡散放射を含む強力な天体物理学的ガンマ線背景から、潜在的なダークマター放射を分離すること。
• 既知の源や拡散モデルを超えた残留ガンマ線放射が、ダークマターの消失または崩壊に起因する可能性があるかどうかを評価すること。
• 拡散放射のモデル改善および未解明の源集団の可能性を考慮することで、Fermi-LATのダークマター信号に対する感度を評価すること。
• 現在のデータセットにおける系統的不確実性とデータ制限を特定し、今後のより洗練された分析の基盤を提供すること。

提案手法

• Fermi-LATの初期11か月間（2008年8月〜2009年7月）のデータを用いて、銀河中心を中央とする7°×7°の領域に焦点を当てた、ビン形式の尤度解析を実施した。
• エネルギーが400 MeVから100 GeVの間のイベントを選択し、拡散成分として前方トラッカーで変換されたものを用いることで、高い角度分解能と低いバックグラウンド汚染を確保した。
• ROI内またはその周辺に位置するFermi 1年間カタログの11個の源を含む源モデルを構築し、それぞれをパワー則スペクトルを持つ点源としてモデル化した。
• GALPROPコードとgll_iem_54_87Xexph7S.fitテンプレートを用いて銀河的拡散放射をモデル化し、尤度フィッティング中に唯一その正規化係数を変更した。
• 銀河外放射および残存する荷電粒子を補償するため、空間的に一様なテンプレートとしての等方的拡散バックグラウンド成分を含めた。
• Fermi-LAT解析ソフトウェアのPass6V3バージョンと有効面積補正を用い、系統的不確実性をフラックスモデルに反映させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心における予測される高いダークマター密度を考慮すると、ガンマ線放射からダークマター信号を検出可能か？
• RQ2 銀河中心における観測されたガンマ線放射の多くが、既知の天体物理学的源や拡散バックグラウンドでどの程度説明可能か？
• RQ3 標準モデルでは説明できない残留ガンマ線過剰が存在するか。その場合、それはダークマターの消失または崩壊に起因する可能性があるか？
• RQ4 LATの有効面積における系統的不確実性が、潜在的ダークマター信号の解釈にどのように影響するか？
• RQ5 拡散放射のモデル改善や源集団の特徴付けの向上により、ダークマター信号に対する感度をどの程度向上できるか？

主な発見

• 銀河中心領域のガンマ線放射の大部分は、既知の天体物理学的源と銀河的拡散放射モデルで良好に説明できる。
• 2–5 GeVのエネルギー範囲で、既存の源モデルや拡散バックグラウンドモデルでは説明できない残留ガンマ線放射が観測された。
• LATの有効面積における系統的不確実性（100 MeVで10%、10 GeVで20%）がフラックス予測に伝搬され、残留スペクトルの解釈の際には考慮が必要である。
• 残留放射は統計的フラクチュエーションとは一致せず、未モデル化された天体物理学的成分（例えば未解明の点源や改善された拡散放射モデル）の存在を示唆している。
• 本分析は、銀河中心におけるダークマター検出を主張する前に、従来の天体物理学的バックグラウンドの深い理解が不可欠であることを示している。
• 今後の作業として、拡散放射モデルの洗練および未解明源集団の寄与を調査することで、残留信号の解釈をより良くする取り組みが進行中である。