[論文レビュー] X-ray annual modulation observed by XMM-Newton and Axion Quark Nugget Dark Matter

Shuailiang Ge, Hikari Rachmat+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、XMM-ニュートンが観測した2–6 keVのX線背景における11σの年間周期的変動が、地球を通過するアクシオンクォークネグレット（AQN）に起因すると提案している。AQNはX線を等方的に放出するため、従来のモデルが要求する共線的散乱を必要とせず、幾何的制約なしに強い年間信号を説明できる。また、100 keVまで及ぶ検出可能なハードX線／ガンマ線帯域の周期的変動を予測している。

ABSTRACT

The XMM-Newton observatory shows evidence, with a 11$σ$ confidence level, for seasonal variation of the X-ray background in the near-Earth environment in the 2-6 keV energy range (Fraser et al. 2014). The authors argue that the observed seasonal variation suggests a possible link with dark matter. We propose an explanation which involves the Axion Quark Nugget (AQN) dark matter model. In our proposal, AQNs can cross the Earth and emit high energy photons at their exit. We show that the emitted spectrum is consistent with (Fraser et al. 2014), and that our calculation is not sensitive to the specific details of the model. Our proposal predicts a large seasonal variation, on the level of 20-25%, much larger than conventional dark matter models (1-10%). Since the AQN emission spectrum extends up to $\sim $ 100 keV, well beyond the keV sensitivity of XMM-Newton, we predict the AQN contribution to the hard X-ray and $γ$-ray backgrounds in the Earth's environment. The Gamma-Ray Burst Monitor (GBM) instrument, aboard the FERMI telescope, is sensitive to the 8 keV-40 MeV energy band. The NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) is a NASA space based X ray telescope which operates in the range 3 to 79 keV is also sensitive to higher energy bands. We suggest that the multi-year archival data from the GBM or NuSTAR could be used to search for a seasonal variation in the near-Earth environment up to 100 keV as a future test of the AQN framework.

研究の動機と目的

• XMM-ニュートンが観測した近地X線背景における11σの年間変動を、従来の天体物理学的要因や既存のアクシオンモデルでは説明できないことの解明。
• 非共線的散乱や順位1の幾何的要因を必要とする[1]モデルにおける根本的問題を解決すること。
• 地球通過中に等方的光子放出を示すため、自然に強い季節的X線放射を生じるアクシオンクォークネグレット（AQN）という代替ダークマター・モデルを提案すること。
• Fermi-GBMおよびNuSTARのアーカイブデータを用いて、100 keVまで及ぶハードX線およびガンマ線帯域における観測可能な季節的変動を予測すること。

提案手法

• AQNダークマターを、大気を通過する際に高エネルギー光子を等方的に放出するコンパクトで相対論的物体としてモデル化する。
• ソフト光子定理と熱放射モデルを用いて、AQNが進入時に高温で、通過中に冷却されることを仮定し、X線放射スペクトルを導出する。
• 速度に依存する冷却および放射率を関数 $ dF_r/d heta $ を通じて取り入れ、出口速度 $ v_{\text{out}} $ に依存するエネルギー依存の単位立体角あたりの光子フラックスを計算する。
• 放出フラックスがネグレットの温度および速度にどのように依存するかを、パラメータがAQNモデル物理学から得られる関係式 $ T \propto (K_1/v_{\text{out}} + K_2)^{-1/(c_2(\kappa)+3)} $ を用いて導出する。
• 地球の公転運動が検出器を通過するAQNのフラックスを周期的に変化させることを仮定し、一定で等方的な放射プロファイルに基づいて季節的変動を推定する。
• 同じ放射モデルに基づき、Fermi-GBMの8 keV–40 MeV帯域およびNuSTARの3–79 keV帯域における観測可能な季節的変動を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XMM-ニュートンが観測した2–6 keVのX線背景における11σの年間変動は、従来のアクシオン光子変換以外のダークマター・モデルで説明可能か？
• RQ2 なぜ観測されたX線背景の季節的変動が、1–10%の変動しか予測しない標準的ダークマター・モデルをはるかに上回るのか？
• RQ3 アクシオンクォークネグレット（AQN）は、非共線的散乱や幾何的増幅を必要とせず、20–25%の季節的変動を自然に生じるか？
• RQ4 AQNモデルは、100 keVまで及ぶハードX線およびガンマ線帯域における検出可能な季節的変動を予測するか？
• RQ5 Fermi-GBMおよびNuSTARのアーカイブデータを用いて、AQNモデルのエネルギー依存の季節的変動予測を検証可能か？

主な発見

• AQNモデルは、X線背景における20–25%の季節的変動を予測しており、従来のダークマター・モデルが予測する1–10%をはるかに上回る。
• AQNからの放出スペクトルは、2–6 keV帯域でXMM-ニュートンの観測と整合しており、共線的散乱や幾何的増幅の必要がない。
• モデルは、AQN放射が約100 keVまで及びぶことを予測しており、ハードX線およびガンマ線帯域で検出可能である。
• フラックスの変動は、方向性放射ではなく、地球の公転運動によるAQNフラックスの変調に起因しており、従来モデルの幾何的不一致を解消する。
• モデルは特定のパラメータに強く依存せず、ネグレットのサイズや磁気モーメントに弱い依存性を示すため、モデル詳細に敏感でない。
• 将来的には、Fermi-GBM（8 keV–40 MeV）およびNuSTAR（3–79 keV）の多年にわたるアーカイブデータを用いたテストが可能であり、100 keVまで及ぶ季節的変動を明らかにできる可能性がある。