[論文レビュー] The galactic antiproton spectrum at high energies: background expectation vs. exotic contributions

Torsten Bringmann, P. Salati|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、高エネルギー銀河的反陽子スペクトルをモデル化し、100 GeV程度まで、低エネルギー宇宙線データによって二次的反陽子フラックスがきわめて厳密に制約されることを示している。100 GeVを超える領域では不確実性が増加する。また、特に高次元理論や超対称性モデルにおけるTeVスケールのWIMPの散乱が、高エネルギー領域で背景を上回るか、それと同等の反陽子信号を生成できることを示しており、将来的なAMS-02などの実験による間接的暗黒物質探索の検出可能なシグナルを提供する。

ABSTRACT

A new generation of upcoming space-based experiments will soon start to probe the spectrum of cosmic ray antiparticles with an unprecedented accuracy and, in particular, will open up a window to energies much higher than those accessible so far. It is thus timely to carefully investigate the expected antiparticle fluxes at high energies. Here, we perform such an analysis for the case of antiprotons. We consider both standard sources as the collision of other cosmic rays with interstellar matter, as well as exotic contributions from dark matter annihilations in the galactic halo. Up to energies well above 100 GeV, we find that the background flux in antiprotons is almost uniquely determined by the existing low-energy data on various cosmic ray species; for even higher energies, however, the uncertainties in the parameters of the underlying propagation model eventually become significant. We also show that if the dark matter is composed of particles with masses at the TeV scale, which is naturally expected in extra-dimensional models as well as in certain parameter regions of supersymmetric models, the annihilation flux can become comparable to - or even dominate - the antiproton background at the high energies considered here.

研究の動機と目的

• 低エネルギー宇宙線データを用いた標準的な宇宙線伝搬モデルから、高エネルギー反陽子背景を予測すること。
• 将来的な宇宙空間実験（例：AMS-02）が、暗黒物質散乱に起因する特異的反陽子寄与にどれほど感度を持つのかを評価すること。
• 反陽子スペクトルが、特にTeVスケールのモデルにおける異なる暗黒物質候補を区別できるかどうかを特定すること。
• 中間質量ブラックホールや暗黒物質クラスタのようないくつかの小構造からのブースト要因が、検出可能な反陽子信号をどのように強化するかを定量化すること。
• 反陽子測定と他の間接的暗黒物質探索手法との相乗効果を検討すること。

提案手法

• 銀河ハロー内を通過する宇宙線伝搬を二ゾーン拡散モデルでシミュレートし、拡散係数を $ K(E) = K_0 \beta \mathcal{R}^\delta $ と定義する。
• 特にB/C比を用いて低エネルギー宇宙線データに合わせて伝搬パラメータをキャリブレーションし、二次的反陽子生成を制約する。
• 半解析的および数値的手法を用いて、拡散指数 $\delta$ の不確実性を考慮しつつ、反陽子スペクトルを10 TeVまで外挿する。
• 銀河ハロー内での暗黒物質散乱に起因する一次的反陽子フラックスをモデル化し、ベンチマークWIMP候補（LKP：ユニバーサルエクストラディメンション、中性ネートラルイン：超対称性におけるヒッグスティン/ウィーノ型）に焦点を当てる。
• 中間質量ブラックホールや高解像度のクラスタ型暗黒物質分布のシミュレーションを用いて、暗黒物質小構造からのブースト要因を推定する。
• 二次的および一次的反陽子フラックスのスペクトル形状を比較し、特異的寄与の検出可能性と区別可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギー宇宙線データを用いて、100 GeVを超えるエネルギー領域での二次的反陽子フラックスはどの程度正確に予測可能か？
• RQ2 特にスペクトル指数 $\delta$ の不確実性が、高エネルギー反陽子背景予測にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 TeVスケールの暗黒物質散乱が、近い将来の実験で二次的背景を超える検出可能な反陽子信号を生成できるか？
• RQ4 高エネルギー領域で一次的反陽子フラックスが二次的背景と同等またはそれを上回るには、どの程度のブースト要因が必要か？
• RQ5 異なる暗黒物質候補（例：LKP 対 中性ネートラルイン）からの反陽子スペクトルはどのように異なり、反陽子測定のみで区別可能か？

主な発見

• 100 GeVまで、二次的反陽子フラックスは低エネルギーデータによって一意に決定され、最小限の不確実性を有する。
• 100 GeVを超える領域では、拡散モデルのスペクトル指数 $\delta$ の不確実性が、10 TeVで約6倍の不確実性にまで反陽子フラックスの予測不確実性を拡大する。
• 100 GeVを超える領域では、高エネルギー二次的反陽子スペクトルが、100 GeV以上でスペクトル指数3.1〜3.5のべき乗則に従う。
• TeVスケールの暗黒物質候補（例：LKP やヒッグスティン/ウィーノ型中性ネートラルイン）は、高エネルギー領域で二次的背景と同等またはそれを上回る反陽子フラックスを生成できる。
• 検出可能な一次的信号を得るには、通常100程度のブースト要因が必要だが、中間質量ブラックホールやクラスタ型暗黒物質分布のような小構造を伴う状況では、自然にこのような要因が強化される。
• 反陽子スペクトルだけでは、暗黒物質候補を区別するには不十分であるが、他の測定と組み合わせることで、散乱粒子の質量を制限するのに役立つ。