[論文レビュー] The composition of the Fermi-LAT IGRB intensity: emission from extragalactic point sources and dark matter annihilations

Mattia Di Mauro, Fiorenza Donato|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、50か月間のFermi-LATデータを分析し、等方的で拡散するガンマ線背景（IGRB）が、解釈不能な銀河外源および潜在的なダークマター（DM）散乱崩壊に起因すると解釈する。活性銀河核および星形成銀河からの放射モデルと強く整合するが、広い質量範囲にわたり、熱的残り価値に近い値のDM散乱断面積に対してきびしい制限を設定する。

ABSTRACT

A new estimation of the isotropic diffuse gamma-ray background (IGRB) observed by the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) has been presented for 50 months of data, in the energy range 100 MeV-820 GeV and for different modelings of the Galactic foreground. We attempt here the interpretation of the Fermi-LAT IGRB data in terms of the gamma-ray unresolved emission from different extragalactic populations. We find very good fits to the experimental IGRB, obtained with theoretical predictions for the emission from active galactic nuclei and star forming galaxies. In addition, we probe a possible emission coming from the annihilation of weakly interacting dark matter (DM) particles in the halo of our Galaxy. We set stringent limits on its annihilation cross section into gamma-rays, which are about the thermal relic value for a wide range of DM masses. We also identify regions in the DM mass and annihilation cross section parameter space which can significantly improve the fit to the IGRB data. Our analysis is conducted within the different IGRB data sets obtained from different models for the Galactic emission, which is shown to add a significant ambiguity on the IGRB interpretation.

研究の動機と目的

• 未解像化された銀河外点源としての活性銀河核および星形成銀河に起因するFermi-LAT等方的ガンマ線背景（IGRB）の解釈を目的とする。
• ミルキーウェイのハロー内に存在する弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMP）ダークマター散乱がIGRBに与える寄与を調査すること。
• 銀河縁モデルの不確実性がIGRB解釈に与える影響を評価すること。
• ダークマター質量の範囲にわたるガンマ線へのWIMP散乱断面積に対するきびしい制限を設定すること。

提案手法

• 100 MeV～820 GeVのエネルギー範囲における50か月間のFermi-LATデータの分析。
• 活性銀河核および星形成銀河からの未解像化放射の理論的予測を用いてIGRBのモデル化。
• IGRBフィッティングフレームワークに銀河ハローからのダークマター散乱信号を組み込む。
• 銀河縁モデルの系統的変更を実施し、IGRB解釈およびパラメータ制限に与える影響を評価。
• 複数の銀河縁モデルを用いて観測されたIGRBスペクトルをフィットし、ダークマター散乱断面積の制限を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fermi-LAT IGRBは、活性銀河核や星形成銀河のような未解像化された銀河外点源によってどの程度説明可能か？
• RQ2 IGRBデータを踏まえた場合、ガンマ線へのダークマター散乱断面積にどのような制限が課されるか？
• RQ3 銀河縁放射の異なるモデルは、IGRBの解釈および導出されたダークマター制限にどのように影響を与えるか？
• RQ4 IGRBデータへのフィットを著しく改善する、ダークマター質量および散乱断面積パラメータ空間の特定の領域は存在するか？

主な発見

• 観測されたIGRBは、活性銀河核および星形成銀河からの未解像化放射の理論的モデルとよく一致する。
• 広いダークマター質量範囲にわたり、熱的残り価値に近い値に近い、きびしい制限がダークマター散乱断面積に設定された。
• IGRBデータへのフィットを著しく改善する、ダークマター質量および散乱断面積パラメータ空間の領域が同定された。
• 銀河縁モデルの変更は、IGRBの解釈および導出されたダークマター制限に顕著な曖昧さをもたらす。