[論文レビュー] Positrons and antiprotons from inert doublet model dark matter

E. Nezri, Michel H. G. Tytgat+1 more|ArXiv.org|Jan 16, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 95被引用数 45

ひとこと要約

本稿は、インert Doublet Model (IDM) におけるダークマター散乱からの positron および反陽子生成を調査し、3つのベンチマーク質量（10 GeV、70 GeV、10 TeV）に注目する。軽いダークマター候補（10 GeV）は、検出可能な positron および反陽子フラックスに加え、顕著な反デュテロン信号を生成できるが、重い候補（70 GeV および 10 TeV）は、PAMELA および ATIC の過剰を説明するには大きなブースト因子を必要とし、反陽子データによって制約を受ける。

ABSTRACT

In the framework of the Inert Doublet Model, a very simple extension of the Standard Model, we study the production and propagation of antimatter in cosmic rays coming from annihilation of a scalar dark matter particle. We consider three benchmark candidates, all consistent with the WMAP cosmic abundance and existing direct detection experiments, and confront the predictions of the model with the recent PAMELA, ATIC and HESS data. For a light candidate, M_{DM} = 10 GeV, we argue that the positron and anti-proton fluxes may be large, but still consistent with expected backgrounds, unless there is an enhancement (boost factor) in the local density of dark matter. There is also a substantial anti-deuteron flux which might be observable by future experiments. For a candidate with M_{DM} = 70 GeV, the contribution to positron and anti-proton fluxes is much smaller than the expected backgrounds. Even if a boost factor is invoked to enhance the signals, the candidate is unable to explain the observed positron and anti-proton excesses. Finally, for a heavy candidate, M_{DM} = 10 TeV, it is possible to fit the PAMELA excess (but, unfortunately, not the ATIC one) provided there is a large enhancement, either in the local density of dark matter or through the Sommerfeld effect.

研究の動機と目的

• インチェント・ダブルレット・モデル（IDM）が宇宙線 positron および反陽子の源として実現可能かどうかを評価すること。
• IDM の予測を、最近の宇宙線反物質に関する PAMELA、ATIC、HESS データと照らし合わせること。
• ブースト因子および Sommerfeld 効果が信号を強化する役割を評価すること。
• 軽い IDM ダークマター候補からの反デュテロンの検出可能性を検討すること。
• IDM が反陽子制約に違反することなく観測された positron 過剰を説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• Z₂ 対称性によって安定化されるスカラーのダークマター候補を有するインチェント・ダブルレット・モデル（IDM）を用いる。
• 10 GeV、70 GeV、10 TeV のダークマター質量における散乱断面積および最終状態粒子スペクトルを計算する。
• 銀河内を通過する positron および反陽子の伝播を、標準的な宇宙線輸送方程式を用いてモデル化する。
• 宇宙線相互作用に起因するバックグラウンドフラックスを、標準的な天体物理学的モデルを用いて推定する。
• 局所的なダークマター密度の増加や Sommerfeld 増幅効果を反映させるために、ブースト因子を導入する。
• モデルは、PAMELA の positron 分数、ATIC の電子＋positron 過剰、HESS の電子スペクトルデータと照らし合わせて検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IDM は、反陽子を過剰に生成することなく、PAMELA の positron 過剰を説明できるか？
• RQ2 IDM ダークマターは観測された反陽子フラックスにどの程度寄与するか？また、天体物理学的バックグラウンドと比較するとどうなるか？
• RQ3 10 GeV の軽い IDM ダークマター候補は、検出可能な反デュテロンフラックスを生成できるか？
• RQ4 10 TeV の重い IDM 候補は、ATIC 過剰を説明できるか？また、必要なブースト因子はどの程度か？
• RQ5 Sommerfeld 効果および局所的なダークマター密度の増加は、IDM が宇宙線の異常を説明する可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 質量が約 10 GeV の軽い IDM ダークマター候補は、顕著なブースト因子が存在しない限り、バックグラウンドと整合する大きな positron および反陽子フラックスを生成する。
• 10 GeV の DM 候補に対して予測される反デュテロンフラックスは、AMS-02 や GAPS といった将来の実験の感度閾値を上回る。
• 70 GeV の DM 候補は、大きなブースト因子が存在しても positron や反陽子フラックスへの寄与が微小であり、観測された過剰を説明できない。
• 10 TeV の DM 候補は、大きなブースト因子がなければ PAMELA の過剰を説明できるが、Sommerfeld 増幅効果が存在しても ATIC 過剰を説明できない。
• 反陽子フラックスの制約は、バリオンへの分支比が抑制されていない限り、10 TeV 候補を強く否定する。
• IDM の単純さは、PAMELA や ATIC の異常を説明する能力に制限をもたらすが、軽い DM からの反デュテロン検出という有望なシグナルを提供する。