[論文レビュー] MiXDM: Cosmic Ray Signals from Multiple States of Dark Matter

Ilias Cholis, Neal Weiner|ArXiv.org|Nov 27, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 133被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、質量が異なる複数のWIMP状態が軽いボソンに崩壊することで、顕著に異なる数密度にもかかわらず自然に等しい崩壊率を生じる、多成分ダークマター理論MiXDMを提案する。このモデルは、宇宙線陽電子および電子に特徴的なスペクトル的特徴（約100 GeV付近のピークなど）を生じさせ、PAMELA、Fermi、INTEGRALの異常を統一的に説明するとともに、必要な断面積の矛盾を軽減し、Planckによるマイクロ波はだしの観測可能な兆候をもたらす。

ABSTRACT

Recent data from cosmic ray experiments such as PAMELA, Fermi, ATIC and PPB-BETS all suggest the need for a new primary source of electrons and positrons at high (>~100 GeV) energies. Many proposals have been put forth to explain these data, usually relying on a single particle to annihilate or decay to produce e+e-. In this paper, we consider models with multiple species of WIMPs with significantly different masses. We show if such dark matter candidates chi_i annihilate into light bosons, they naturally produce equal annihilation rates, even as the available numbers of pairs for annihilation n_chi_i^2 differ by orders of magnitude. We argue that a consequence of these models can be to add additional signal naturally at lower (~100 GeV) versus higher (~ TeV) energies, changing the expected spectrum and even adding bumps at lower energies, which may alleviate some of the tension in the required annihilation rates between PAMELA and Fermi. These spectral changes may yield observable consequences in the microwave Haze signal observed at the upcoming Planck satellite. Such a model can connect to other observable signals such as DAMA and INTEGRAL by having the lighter (heavier) state be a pseudo-Dirac fermion with splitting 100 keV (1 MeV). We show that variations in the halo velocity dispersion can alleviate constraints from final state radiation in the galactic center and galactic ridge. If the lighter WIMP has a large self-interaction cross section, the light-WIMP halo might collapse, dramatically altering expectations for direct and indirect detection signatures.

研究の動機と目的

• PAMELA、Fermi、ATIC、PPB-BETSの宇宙線データに示される、高エネルギー陽電子および電子の新たな源の可能性を解消すること。
• 質量が異なる複数のダークマター状態が、数密度の著しい差にもかかわらず、自然に同等の崩壊率を生じるかを検討すること。
• このような多成分ダークマターモデルが、PAMELAの陽電子過剰、Fermi/HESSの約1 TeVにおけるエネルギー硬化、およびINTEGRALによる511 keV線を同時に説明できるかを調査すること。
• 特に、ダークマター崩壊によって生成される二次的電子からのシンクロtron放射によって、銀河中心部のマイクロ波はだしに観測可能なシグネチャが現れる可能性を検討すること。
• 特に軽いWIMPの自己散乱断面積が大きい場合に、直接検出実験に与える影響を評価すること。

提案手法

• モデルは、複数のWIMP種族（$\chi_i$）が軽く不安定なボソンに崩壊するのを仮定し、$e^+e^-$に崩壊することで顕著な反陽子生成を回避する。
• 数密度の差が数個のオーダー以上に及んでも、共通の軽い力の媒介粒子への凍結生成のおかげで、各成分間での崩壊率が自然に等しくなることが示される。
• 宇宙線伝搬は、標準的な拡산パラメータと、銀河中心部で最大33 $\mu$Gに達する局所磁場（5 $\mu$G）を用いたGALPROPでモデル化される。
• ブースト因子は、熱的リlic密度とEinastoプロファイルに基づき、$M_{\chi_1} \ll M_{\chi_2}$ の場合に $B.F. \approx \langle\sigma_{2}|v|\rangle_{\text{Fitted}} / (3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1})$ として計算される。
• 二次的電子からのシンクロtron放射は、修正ベッセル関数 $K_{5/3}$ を含む放射効率式を用いて計算され、臨界周波数 $\nu_c \propto \gamma^2$ に比例する。
• ハロー内の速度分散効果を組み込むことで、銀河中心部およびリッジにおける最終状態放射の制約を緩和する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が異なるWIMPを有する多成分ダークマターモデルが、顕著に異なる数密度にもかかわらず、自然に同等の崩壊率を生じるか？
• RQ2 特に約100 GeV付近で、$e^+ + e^-$スペクトルに現れるピークや谷（トラフ）のようなスペクトル的特徴は、どのように生じるか？
• RQ3 このようなモデルが、低エネルギーで高い断面積を要するPAMELAの陽電子過剰と、約1 TeVまで延びる低断面積を要するFermiデータを同時に説明できるか？
• RQ4 特に、Planck衛星による検出可能なシンクロtron放射を通じて、このようなモデルがマイクロ波はだしに観測可能な影響を及ぼすか？
• RQ5 ハロー内の速度分散の変動が、銀河中心部およびリッジにおける最終状態放射の制約に与える影響はいかほどか？

主な発見

• 共通の軽い力の媒介粒子への凍結生成のおかげで、数密度の差が数個のオーダー以上に及んでも、複数のWIMP成分間で自然に等しい崩壊率が生じる。
• 軽いWIMP状態からのエネルギー密度の集中のおかげで、$e^+ + e^-$スペクトルに約100 GeV付近のピークのようなスペクトル的特徴が現れ、PAMELAとFermiデータの矛盾を緩和する可能性を有する。
• 重いWIMPのブースト因子は、$B.F. \approx \langle\sigma_{2}|v|\rangle_{\text{Fitted}} / (3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1})$ に近く、$M_{\chi_2}$ に対する対数補正が加わることで、リリック密度制約と整合的である。
• ダークマター崩壊によって生成される二次的電子からのシンクロtron放射は、50 GeV電子では約300 GHz、1 TeV電子では120 THzの周波数でピークを示し、高エネルギー電子からの放射はPlanckバンド（最大857 GHz）に顕著に及ぶ。
• 軽いWIMPの自己散乱断面積が大きいと、ハローの崩壊を引き起こし、直接および間接検出シグネチャが著しく変化する。
• ハロー内の速度分散の変動は、銀河中心部およびリッジにおける最終状態放射の制約を緩和し、天体物理学的不確実性のもとでもモデルの妥当性を高める。