[論文レビュー] The contribution to the antimatter flux from individual dark matter substructures

Marco Regis, Piero Ullio|ArXiv.org|Jul 29, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、個々の暗黒物質（DM）準位構造の固有運動が、陽電子や反プロトンなどの陽粒子の局所的フラックスに与える影響を調査する。時間に依存する伝搬方程式を解くことで、ほとんどのDM準位構造において静的近似が成立しないことが示され、一時的で非一様なフラックスが生じ、データから一意の素粒子物理学的パラメータを抽出することが複雑になることが明らかになった。

ABSTRACT

The local antimatter fluxes induced by an individual dark matter (DM) substructure can be significantly dependent on the proper motion of the source. We derive analytic solutions to the propagation equation for time-dependent positron and antiproton primary sources, finding that the static limit is a fair approximation only for very high energy particles and nearby sources. We discuss weakly interacting massive particle (WIMP) models fitting the PAMELA positron excess and the FERMI all-electron data. We show that, for a single non-static DM point-source, one cannot extract from the data, in a unique way, model independent particle physics observables, such as the WIMP mass, the pair annihilation cross section, and the annihilation yield. The gamma-ray emission associated to WIMP models inducing a significant local flux of positrons or antiprotons is found to be compatible with EGRET measurements, but it can be definitely singled out with the FERMI-LAT telescope.

研究の動機と目的

• 準位構造の固有運動が局所的陽粒子フラックスに与える影響を評価し、間接的暗黒物質探査における静的源の仮定に疑問を呈する。
• 特に陽電子および反プロトンに対して、DM準位構造の崩壊における静的近似が有効となる条件を特定する。
• PAMELAの陽電子過剰とFERMIの全電子スペクトルが、1つの近くに位置する非静的DM準位構造によって一貫して説明可能かどうかを評価する。
• 現在および将来の望遠鏡を用いて、そのような準位構造がガンマ線放射およびスペクトル非一様性によって検出可能かどうかを調査する。
• 準位構造の運動を無視した場合に、陽粒子データから一意の素粒子物理学的パラメータ（例：WIMP質量、崩壊断面積）を抽出する際の限界を調査する。

提案手法

• 運動する局所的陽電子および反プロトン源に対する時間に依存する宇宙線伝搬方程式の解析的解を導出する。
• エネルギー依存の拡散およびエネルギー損失時間スケールを有する簡略化された「漏れ箱」モデルを用い、運動する源からの伝搬をシミュレートする。
• レプチオンおよびハドロン最終状態を持つベンチマークWIMPモデルを仮定し、距離および速度が変化する1つの準位構造を用いて解析を行う。
• EGRETおよびFERMI-LATの感度限界と比較して、逆コンプトンおよび対崩壊過程による予測ガンマ線フラックスを評価する。
• 源の方向運動に起因する電子／陽電子スペクトルのダイポール非一様性を評価し、FERMIによる検出可能性を検討する。
• 時間に依存する注入および伝搬効果を考慮したPAMELAおよびFERMIデータへのモデルフィッティングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗黒物質準位構造の固有運動は、静的源近似と比較して、予測される局所的陽電子および反プロトンフラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 PAMELAの陽電子過剰とFERMIの全電子スペクトルは、1つの非静的暗黒物質準位構造によって一貫して説明可能か？
• RQ3 電子／陽電子フラックスの観測スペクトル形状および非一様性は、準位構造の速度および軌道にどの程度依存するか？
• RQ4 陽粒子過剰を説明する同じWIMPモデルが生成するガンマ線放射は、FERMI-LATで検出可能か？EGRETの限界と比較してどうなるか？
• RQ5 準位構造の運動を考慮した場合、陽粒子データからWIMP質量、崩壊断面積、生成率を一意に特定することは可能か？

主な発見

• DM準位構造の静的近似は、ほとんどの場合で不適切である：これは高エネルギー粒子および非常に近い源でのみ成立する。
• 非静的DM準位構造が1つ存在する場合、一時的で方向性のある効果のため、データからWIMP質量、崩壊断面積、生成率を一意に特定することはできない。
• 電子／陽電子スペクトルのしきい値エネルギーは、WIMP質量の指標として信頼できない。これは、準位構造の距離および運動に依存するためである。
• 局所的陽電子フラックスを顕著に生成する同じWIMPモデルからのガンマ線放射は、EGRETの最も明るい源の限界を下回るが、FERMI-LATの感度をはるかに上回る。
• 運動する準位構造からの電子／陽電子スペクトルのダイポール非一様性は、数年分のFERMIデータで観測可能であり、軌道に依存する。
• 反プロトン生成率が顕著なモデル（例：W⁺W⁻最終状態）は、ガンマ線放射によっても探査可能であるが、反プロトンデータからの強い制約を受ける。