[論文レビュー] Interpretations of the DAMPE electron data

Qiang Yuan, Lei Feng+27 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 44

ひとこと要約

本稿は、DAMPE宇宙ミッションが測定した高精度な電子および陽電子スペクトルを解釈し、約0.9 TeVでスペクトルの軟化を、約1.4 TeVで一時的なピークを示すことを明らかにした。主な説明は二つである：(1) 特定の磁場および回転特性を持つ中年期で孤立したパルサーからの冷たく、超相対論的 $e^+e^-$ 風、または (2) 近接した高密度クラスターまたは過密度領域（$ ot eq 0.3$ kpc）におけるダークマターの散乱によるもので、散乱断面積が増幅されていなければ、極端な質量または密度増幅が要求される。

ABSTRACT

The DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), a high energy cosmic ray and $γ$-ray detector in space, has recently reported the new measurement of the total electron plus positron flux between 25 GeV and 4.6 TeV. A spectral softening at $\sim0.9$ TeV and a tentative peak at $\sim1.4$ TeV have been reported. We study the physical implications of the DAMPE data in this work. The presence of the spectral break significantly tightens the constraints on the model parameters to explain the electron/positron excesses. The spectral softening can either be explained by the maximum acceleration limits of electrons by astrophysical sources, or a breakdown of the common assumption of continuous distribution of electron sources at TeV energies in space and time. The tentive peak at $\sim1.4$ TeV implies local sources of electrons/positrons with quasi-monochromatic injection spectrum. We find that the cold, ultra-relativistic $e^+e^-$ winds from pulsars may give rise to such a structure. The pulsar is requird to be middle-aged, relatively slowly-rotated, mildly magnetized, and isolated in a density cavity. The annihilation of DM particles ($m_χ\sim1.5$ TeV) into $e^+e^-$ pairs in a nearby clump or an over-density region may also explain the data. In the DM scenario, the inferred clump mass (or density enhancement) is about $10^7-10^8$ M$_\odot$ (or $17-35$ times of the canonical local density) assuming a thermal production cross section, which is relatively extreme compared with the expectation from numerical simulations. A moderate enhancement of the annihilation cross section via, e.g., the Sommerfeld mechanism or non-thermal production, is thus needed.

研究の動機と目的

• DAMPEが測定した4.6 TeVまでの新しい電子および陽電子スペクトルを解釈し、特に約0.9 TeVでのスペクトル軟化と約1.4 TeVでの一時的ピークを対象とする。
• 観測された特徴が、特にパルサーのような天体物理的源によって説明可能かどうか、または近接した過密度領域におけるダークマターの散乱によって説明可能かどうかを検証する。
• 宇宙マイクロ波背景、ガンマ線、陽陽子観測からの既存の制約と、提案されたモデルの整合性を評価する。
• これらのモデルから予測される電子フラックスの非等方性を評価し、将来の機器（例：CTA）による検出可能性を検討する。
• 標準的または増幅された散乱断面積の下で、DAMPEデータを再現するために必要なパルサーやダークマターの小銀河団の物理的パラメータを特定する。

提案手法

• シンクロtron放射および逆コンプトン散乱によるエネルギー損失項を含む拡散反応方程式を用いて、銀河内での電子および陽電子の伝搬をモデル化する。
• パルサーからの注入スペクトルを、冷たく超相対論的 $e^+e^-$ 風としてシミュレートし、約1.4 TeVでの準単色的注入を仮定する。
• 高解像度N体シミュレーションから得られる潮汐剥ぎ取りNFWプロファイルを用いて、近接クラスターまたは局所的過密度領域におけるダークマター散乱による電子フラックスを計算する。
• Fermi-LATガンマ線観測、CMB測定、陽陽子フラックスを適用して、妥当なパrameter空間を制限する。
• 局所的源に起因する電子フラックスの非等方性を推定し、Fermi-LAT測定値と比較する。
• Aquarius N体シミュレーションの結果を用いて、太陽系近傍におけるダークマター小銀河団の密度プロファイルを導出し、潮汐剥ぎ取り効果を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAMPEデータにおける約0.9 TeVでのスペクトル軟化は、天体物理的電子源の最大加速限界に起因するのか、あるいは連続的源分布仮定の破綻に起因するのか？
• RQ2 約1.4 TeVでの一時的ピークは、ほぼ単色的注入を必要とするのか？ もしそうならば、そのようなスペクトルを生成できる天体物理的源は何か？
• RQ3 DAMPEデータは、近接クラスターまたは局所的過密度領域におけるダークマター散乱による $e^+e^-$ 対生成によって説明可能か？ その場合、必要な質量または密度増幅は何か？
• RQ4 パルサーやダークマター小銀河団の推定パラメータは、宇宙論的シミュレーションおよび観測的制約と一致するか？
• RQ5 パルサーやダークマターモデルから予測される電子フラックスの非等方性は、現在のFermi-LAT測定と整合するか？ また、将来の機器（例：CTA）はそれらを区別できるか？

主な発見

• 約0.9 TeVでのスペクトル軟化は、空間的・時間的連続的源分布仮定がTeVエネルギー領域で破綻することを示唆する。
• 約1.4 TeVでの一時的ピークは、若い、地球に近い（≤0.3 kpc）、ほぼ単色的エネルギーを注入する源を必要とし、中年期でゆっくり回転し、やや弱い磁場を持つ孤立パルサーからの冷たく超相対論的 $e^+e^-$ 風と整合的である。
• パルサー・モデルでは、パルサーがエネルギー損失を避けるために低密度の空洞（例：ローカルバブル）に位置している必要がある。
• ダークマター散乱による $e^+e^-$ 対生成は、散乱断面積が増幅されている（例： Sommerfeld効果による）場合にのみピークを説明可能であり、標準的断面積では $10^7$–$10^8$ M⊙のクラスター質量または標準値の17–35倍の局所的密度増幅が必要となる。
• 必要なダークマタークラスターまたは過密度領域は、注入された電子の冷却を避けるために地球から約0.3 kpc以内に位置している必要がある。
• これらのモデルはFermi-LATガンマ線および非等方性データと整合的であり、将来のCTA観測がパルサーとダークマターのシナリオを区別できる可能性がある。