[論文レビュー] Prompt cusps and the dark matter annihilation signal

M. Sten Delos, Simon D. M. White|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、熱的に生成されたWIMPが、初期のダークマタークランプの中心に密度が高く、初期に形成された「プロンプト・カスプ」を形成し、現在に至るまで存続すると提案している。これらのカスプは、特に銀河中心部外では、ダークマター消失信号を少なくとも1桁以上増幅する。これにより、等方的ガンマ線背景および大規模構造が、従来の銀河中心に注目した仮説に挑戦する、間接検出の主要なターゲットとなる。

ABSTRACT

As the first dark matter objects gravitationally condense, a density cusp forms immediately at every initial density maximum. Numerical simulations and theoretical arguments suggest that these prompt cusps can survive until the present day. We show that if dark matter is a thermally produced weakly interacting massive particle, many thousands of prompt cusps with individual masses similar to that of the Earth may be present in every solar mass of dark matter. This radically alters predictions for the amount and spatial distribution of dark matter annihilation radiation. The annihilation rate is boosted by at least an order of magnitude compared to previous predictions, both in the cosmological average and within galaxy-scale halos. Moreover, the signal is predominantly boosted outside of the centers of galactic halos, so alternative targets become significantly more attractive for indirect-detection searches. For example, prompt cusps present new opportunities to test the dark matter interpretation of the Galactic Center gamma-ray excess by searching for similar spectral signatures in the isotropic gamma-ray background and large-scale cosmic structure.

研究の動機と目的

• 最初のダークマターハローの崩壊中に形成された原始的密度カスプの存続と性質を調査すること。
• これらのプロンプト・カスプが、標準的なハロー準拠構造モデルと比較して予測されるダークマター消失信号にどのように影響を与えるかを評価すること。
• プロンプト・カスプからの消失放射の空間的分布とブースト因子を定量化することで、間接検出戦略を再評価すること。
• 銀河中心のガンマ線過剰のダークマター解釈を検証するため、そのシグナルが等方的ガンマ線背景にどのように現れるかを予測すること。

提案手法

• 数値シミュレーションと理論的議論により、プロンプト・カスプの形成をモデル化し、崩壊時に ρ ∝ r⁻¹.⁵ の分布を示すことを示した。
• 初期宇宙のコスモロジカルな初期条件を用いて、初期クランプの線形密度場から各プロンプト・カスプの質量とサイズを導出する。
• 潮汐引き剥がしモデルを適用し、各カスプの生存率を推定する。この際、近点距離を約 r/2 と仮定した。
• カスプの空間的分布を統合し、滑らかなハロー寄与と比較することで、消失ブースト因子を計算した。
• 赤方偏移されたエネルギースペクトルと宇宙論的統合を用いて、等方的ガンマ線背景の放射束を導出。カスプ密度と生存率を考慮した。
• フェルミ-LATが測定した等方的背景と比較して、銀河ハローおよび銀河間構造からの予測放射束を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初のダークマターハローの崩壊中に形成されたプロンプト・カスプの空間的分布と生存率は何か？
• RQ2 標準的な準拠構造モデルと比較して、プロンプト・カスプは予測されるダークマター消失信号をどのように変化させるか？
• RQ3 銀河ハロー内および銀河間背景におけるプロンプト・カスプからの消失放射の期待ブースト因子は何か？
• RQ4 銀河中心のガンマ線過剰がプロンプト・カスプの消失によるものであるならば、それは等方的ガンマ線背景にどのような意味を持つのか？
• RQ5 大規模宇宙構造および等方的ガンマ線背景は、銀河中心よりも間接検出の観点からより有望なターゲットと見なされるべきか？

主な発見

• 初期のWIMPハローで形成されたプロンプト・カスプは、潮汐引き剥がしを生き延び、内部領域を保持したまま存続し、現在のダークマター分布に顕著に寄与する。
• プロンプト・カスプのおかげで、銀河ハロー内の消失率は少なくとも10倍に増幅され、特に銀河中心部外で最も顕著である。
• 消失放射の空間的分布は、従来の予想よりも広がっており、低密度領域ではプロンプト・カスプが主な信号寄与を占める。
• もし銀河中心のガンマ線過剰がダークマター消失によるものであれば、同様のスペクトル的シグナルが等方的ガンマ線背景に検出可能であるはずである。
• 未解像化されたプロンプト・カスプからの信号増幅を踏まえると、銀河間構造および大規模宇宙のウェブが、間接検出の観点から著しく魅力的なターゲットとなる。