[論文レビュー] On the Heavy Relic Neutrino - Galactic Gamma Halo Connection

Daniele Fargion, R. Konoplich+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、45–60 GeVの質量を有する第四世代由来の重いレリックニュートリノが、EGRETによって観測された天の川銀河のガンマ線ハローを説明できるかもしれないと提案する。モデルは、超相対論的電子による逆コンプトン散乱と即時π⁰崩壊によるガンマ線放射をその原因とし、10⁻⁷から10⁻⁶ cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹の放射線流量を予測しており、EGRETの観測データおよびDAMA地下実験の信号窓と整合的である。

ABSTRACT

A halo model with heavy relic neutrinos N belonging to a fourth generation and their annihilations in galactic halo may explain the recent evidence of diffused gamma (GeV) radiation around galactic plane. We considered a neutrino mass in the narrow range ($M_Z/2 < m_N < M_Z$) and two main processes as source of gamma rays. A first one is ICS of ultrarelativistic electron pair on IR and optical galactic photons and a second due to prompt gammas by $π^0$ decay, leading to a gamma flux ($10^{-7} - 10^{-6} /(cm^2 s sr)$) comparable to EGRET detection. Our predictions are also compatible with the narrow window of neutrino mass $45 GeV < m_N < 60 GeV$, required to explain the recent underground DAMA positive signals.

研究の動機と目的

• GeVエネルギーレンジの観測された拡散的天の川ガンマ線放射を、重いレリックニュートリノを用いて説明すること。
• DAMA暗黒物質検出実験が示唆する狭い質量窓（45–60 GeV）とガンマ線放射量を調和させること。
• 銀河ハロー内でのニュートリノ対消滅が、2つの異なるメカニズムを通じて検出可能なガンマ線を生成できるかどうかを調査すること。
• 予測されたガンマ線流量が、既存のEGRET観測と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• 第四世代由来の重いレリックニュートリノ（m_N ≈ 45–60 GeV）から成る銀河ハローを仮定する。
• 赤外線および可視光光子に対する超相対論的電子対の逆コンプトン散乱（ICS）によるガンマ線生成をモデル化する。
• ニュートリノ対消滅に続く即時ガンマ線（π⁰崩壊由来）を含む。
• ニュートリノ質量および対消滅断面積を含む、天体物理学的および素粒子物理学的パラメータを用いて、結果として得られるガンマ線流量を計算する。
• 予測された流量をEGRET観測とDAMA信号窓と比較する。
• ガンマ線および暗黒物質検出制約と整合させるために、狭い質量範囲（M_Z/2 < m_N < M_Z）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 45–60 GeVの範囲にある重いレリックニュートリノは、EGRETが観測した拡散的天の川ガンマ線ハローを説明できるか？
• RQ2 銀河ハロー内でのニュートリノ対消滅から生じるガンマ線生成の主なメカニズムは何か？
• RQ3 予測されたガンマ線流量は、EGRETデータおよびDAMA実験の陽性信号の両者と整合するか？
• RQ4 逆コンプトン散乱と即時π⁰崩壊は、合計ガンマ線流量にそれぞれどのように寄与するか？

主な発見

• モデルは、10⁻⁷から10⁻⁶ cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹のガンマ線流量を予測し、観測された拡散的天の川ガンマ線放射と一致する。
• 流量は主に2つのプロセスによって駆動されている：超相対論的電子の逆コンプトン散乱と、π⁰崩壊に伴う即時ガンマ線。
• 予測された流量は、DAMA地下実験の暗黒物質信号を説明するために必要な45–60 GeVの質量窓と整合的である。
• ニュートリノ質量範囲 M_Z/2 < m_N < M_Z（概ね45–91 GeV）は、ガンマ線流量およびDAMA信号の両者と整合的である。
• このモデルは、銀河ハローのガンマ線ハローとDAMAの陽性検出結果を、重いレリックニュートリノを介して統合的に説明するものである。