[論文レビュー] The Case for a 700+ GeV WIMP: Cosmic Ray Spectra from ATIC and PAMELA

Ilias Cholis, Gregory Dobler+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 36

ひとこと要約

この論文は、サマーフェルト効果によって強化される可能性があるレプトン指向のチャンネルを通じて散乱する700 GeV以上のWIMPが、PAMELAのe⁺過剰、Fermi/HESSによる宇宙線e⁺e⁻スペクトルの硬化、およびWMAP Hazeを同時に説明できると提案している。Fermiエネルギー域での逆コンプトンγ線放射線が、このダークマター起源を示す決定的証拠（スモーキング・ガン）であると特定している。

ABSTRACT

Multiple lines of evidence indicate an anomalous injection of high-energy e+- in the Galactic halo. The recent $e^+$ fraction spectrum from the Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) shows a sharp rise up to 100 GeV. The Fermi Gamma-ray Space Telescope has found a significant hardening of the e+e- cosmic ray spectrum above 100 GeV, with a break, confirmed by HESS at around 1 TeV. The Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC) has also detected detected a similar excess, falling back to the expected spectrum at 1 TeV and above. Excess microwaves towards the galactic center in the WMAP data are consistent with hard synchrotron radiation from a population of 10-100 GeV e+- (the WMAP ``Haze''). We argue that dark matter annihilations can provide a consistent explanation of all of these data, focusing on dominantly leptonic modes, either directly or through a new light boson. Normalizing the signal to the highest energy evidence (Fermi and HESS), we find that similar cross sections provide good fits to PAMELA and the Haze, and that both the required cross section and annihilation modes are achievable in models with Sommerfeld-enhanced annihilation. These models naturally predict significant production of gamma rays in the galactic center via a variety of mechanisms. Most notably, there is a robust inverse-Compton scattered (ICS) gamma-ray signal arising from the energetic electrons and positrons, detectable at Fermi/GLAST energies, which should provide smoking gun evidence for this production.

研究の動機と目的

• PAMELAの上昇するe⁺割合、Fermi/HESSによる100 GeV以上の硬化、およびWMAP Hazeという複数の異常な宇宙線信号を、1つのダークマター模型で統合的に説明すること。
• 高エネルギーe⁺データ、銀河中心からのマイクロ波放射、γ線制約を同時に適合させるダークマター候補を特定すること。
• サマーフェルト強化を伴うWIMPのレプトンへの散乱が、すべてのデータセットで一貫した断面積を生み出すことができることを示すこと。
• Fermi/GLASTエネルギー域で検出可能な逆コンプトン散乱（ICS）γ線信号が、決定的証拠（スモーキング・ガン）として予測されること。

提案手法

• 新しい軽いボソンが媒介するレプトン（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、τ⁺τ⁻）へのダークマター散乱をモデル化する。
• 低速度域での断面積を抑制し、銀河ハローの条件に適した中間エネルギー域での断面積を強化するサマーフェルト強化を適用する。
• WIMP散乱断面積をFermiおよびHESSの最高エネルギーデータに正規化し、PAMELAおよびWMAP Hazeとの整合性を検証する。
• WIMP散乱から得られる電子エネルギースペクトルを用いて、銀河中心における逆コンプトン散乱（ICS）γ線フラックスを計算する。
• 予測されたICSγ線スペクトルをFermi/GLASTの感度と比較し、検出可能性を評価する。
• PAMELAの観測されたe⁺割合、Fermiの宇宙線e⁺e⁻スペクトル、およびWMAP Hazeの強度を用いて、WIMP質量および散乱モードを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの700+ GeVのWIMPモデルが、PAMELAのe⁺過剰、Fermi/HESSによるe⁺e⁻スペクトルの硬化、およびWMAP Hazeを同時に説明できるか？
• RQ2 3つのデータセットに適合させるために必要な散乱モードと断面積は何か？そして、サマーフェルト強化フレームワークにおいてそれらは妥当か？
• RQ3 このようなWIMPからの逆コンプトン散乱（ICS）γ線信号は予測されるか？また、Fermi/GLASTエネルギー域で検出可能か？
• RQ4 軽い媒介粒子の存在が、宇宙線およびマイクロ波データとの整合性にどのように影響するか？
• RQ5 モデルが、銀河中心に明確で特徴的なγ線シグナルを生成し、それがダークマター散乱の決定的証拠（スモーキング・ガン）として機能できるか？

主な発見

• サマーフェルト強化を伴うレプトンへの散乱を示す700+ GeVのWIMPは、PAMELAのe⁺割合、Fermi/HESSの宇宙線スペクトル、およびWMAP Hazeに対して一貫した適合を示す。
• 必要な散乱断面積は、サマーフェルト強化を伴うモデルで自然に達成可能であり、理論的に妥当なシナリオである。
• モデルは、Fermi/GLASTエネルギー域における銀河中心での強い逆コンプトン散乱（ICS）γ線信号を予測しており、これが決定的証拠となる可能性がある。
• ICSγ線信号は、マイクロ波Hazeおよび宇宙線異常を引き起こす同じエネルギーのe⁺e⁻集団から強く生じる。
• 同じモデルにより、WMAP Hazeは10–100 GeVのe⁺e⁻からの硬いシンクロtron放射として説明可能であり、同じダークマター源と整合的である。
• Fermi/HESSデータに適合する断面積が、同時にPAMELAのe⁺割合およびHazeの強度をも正確に再現できることから、モデルの内部的一致性が裏付けられる。