[論文レビュー] Searching for Smoking Gun Signatures of Decaying Dark Matter

Joshua T. Ruderman, Tomer Volansky|ArXiv.org|Jul 27, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、弱いスケールのダークマターが、その後、軽いダークゲージボソンに崩壊し、その結果としてレプトンに崩壊する隠れたセクターのダークマター・モデルのクラスを提案している。この過程で、明確なTeVスケールのスペクトル特徴を持つ一次の光子とニュートリノが生成される。これらの特徴は、宇宙線におけるレプトン過剰と相関しており、崩壊するダークマターの決定的証拠を示しており、今後数年以内にFERMI、HESS、IceCube/DeepCore、AGISといった新たな実験がそれらを検出可能となる。

ABSTRACT

Clear methods to differentiate between decaying and annihilating dark matter (DM) scenarios are still by and large unavailable. In this note, we study the potential astrophysical signatures of a new class of hidden sector decaying DM models, which can address the recent cosmic ray measurements. Such models may produce primary photons and/or neutrinos at large rates, correlated with the leptonic production. The photon and neutrino spectra will then contain sharp features at the TeV scale. We demonstrate the discovery potential for upcoming and future measurements by FERMI, HESS, AGIS and IceCube/DeepCore. We show that these models may be discovered in the near future. Specifically, measurements of diffuse gamma rays by FERMI can detect the start of a hard photon feature. We argue that these hard spectra can be produced by decaying dark matter and be consistent with current constraints, but are difficult to reconcile with models of annihilating DM. Consequently the measurement of a hard spectral feature, in correlation with the current cosmic ray measurements, will strongly favor decaying DM models. Finally we comment on the preliminary results from the Inner Galaxy presented by the FERMI collaboration.

研究の動機と目的

• 崩壊するダークマターと散乱するダークマターのシナリオを明確に区別できる、明確な天体物理学的シグナルを同定すること。
• 同様のレプトン過剰を示すにもかかわらず、崩壊と散乱のシグナルを区別する課題に対処すること。
• 一次の光子とニュートリノを大きく分岐率で生成する自然な崩壊的ダークマターのモデルを提案すること。
• 近い将来のガンマ線およびニュートリノ実験による、これらのシグナルの発見可能性を示すこと。
• FERMIのインナー銀河領域における予備的なデータを、モデルの予測の観点から解釈すること。

提案手法

• 弱いスケールのDMが軽いダークゲージボソンに崩壊し、その後レプトンに崩壊する隠れたセクターのダークマター・モデルを構築。ハドロン最終状態は運動論的制約により抑制される。
• 逆コンプトン散乱（ICS）、最終状態放射（FSR）、および一次崩壊からの光子およびニュートリノスペクトルを計算。
• PAMELA、FERMI、HESSの宇宙線データにモデルをフィットさせ、DM質量と崩壊率を制約。
• FERMI、HESS、AGIS、IceCube/DeepCoreが予測された硬いスペクトル特徴を検出できる感度を推定。
• FERMIのインナー銀河領域における予備的な拡散光子スペクトルデータとモデルの予測を比較。背景を3–16 GeVの間でべき乗則としてモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子およびニュートリノスペクトルに現れる鋭いTeVスケールのスペクトル特徴は、崩壊的ダークマターの決定的証拠として機能できるか？
• RQ2 現在の宇宙線測定の文脈において、崩壊的ダークマターと散乱的ダークマターの両者で予測されるスペクトル特徴は、どのように異なるか？
• RQ3 観測された宇宙線レプトン過剰は、検出可能な一次の光子とニュートリノを生成する崩壊的ダークマター・モデルによって一貫して説明可能か？
• RQ4 FERMI、HESS、AGIS、IceCube/DeepCoreといった近い将来の実験が、これらのスペクトル特徴をどの程度検出可能か。また、発見はいつごろ可能になるか？
• RQ5 モデルの予測は、特に高エネルギー尾部において、予備的なFERMIインナー銀河領域の拡散光子スペクトルとどの程度一致するか？

主な発見

• PAMELA、FERMI、HESSのデータに最適にフィットしたモデルは、予備的なFERMIインナー銀河領域の拡散光子過剰と整合性があるが、最も高いエネルギー領域ではわずかにデータを下回っている。
• モデルが予測する硬い光子スペクトルは、逆コンプトン散乱や最終状態放射だけでは説明できないため、一次的起源であると示唆している。
• IceCube/DeepCoreは、1年間のデータで、1TeV以上のエネルギー領域の最高エネルギー領域で、一次ニュートリノ成分を5σの有意水準で検出可能である。
• 一次光子特徴の発見可能性は、FERMIの拡散ガンマ線測定において最も強く、硬いスペクトル特徴の出現が崩壊的ダークマターの兆候である可能性がある。
• モデルは現在の制約と整合しており、近い将来の実験の感度範囲内にあり、崩壊的DMが近い将来に発見される可能性がある。
• モデルとデータとの不一致は、HESSの電子データに適合させるために高いDM質量を必要とし、かつHESS銀河中心領域の光子測定と矛盾しないように崩壊率を増加できないことに起因する。