[논문 리뷰] A possible link between the GeV excess and the 511 keV emission line in the Galactic Centre

Céline Bœhm, Paolo Gondolo외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 18.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 은하중심의 지질 에르고니온 방사선 과잉과 511 keV 양전자 결합 선이 30 GeV 다크 물질이 b-쿼크로 붕괴할 때 공통된 기원을 가질 수 있는지 조사한다. 실존적인 전자 밀도를 고려한 업데이트된 확산 모델을 사용하여, 음전자 에너지 손실이 저에너지 축적을 억제함으로써 예측된 511 keV 방사선 밀도가 약 10⁻⁶ ph/cm²/s로 감소함을 발견하였으며, 이는 관측된 약 10⁻³ ph/cm²/s보다 훨씬 낮다. 따라서 두 신호에 대한 공통된 다크 물질 기원은 배제된다.

ABSTRACT

The morphology and characteristics of the so-called GeV gamma-ray excess detected in the Milky Way lead us to speculate about a possible common origin with the 511 keV line mapped by the SPI experiment about ten years ago. In the previous version of our paper, we assumed 30 GeV dark matter particles annihilating into $b \\bar{b}$ and obtained both a morphology and a 511 keV flux (\\phi_{511 keV} ~ 10^{-3} ph/cm^2/s) in agreement with SPI observation. However our estimates assumed a negligible number density of electrons in the bulge which lead to an artificial increase in the flux (mostly due to negligible Coulomb losses in this configuration). Assuming a number density greater than $n_e > 10^{-3} cm^{-3}$, we now obtain a flux of 511 keV photons that is smaller than \\phi_{511 keV} ~ 10^{-6} ph/cm^2/s and is essentially in agreement with the 511 keV flux that one can infer from the total number of positrons injected by dark matter annihilations into $b \\bar{b}$. We thus conclude that -- even if 30 GeV dark matter particles were to exist-- it is impossible to establish a connexion between the two types of signals, even though they are located within the same 10 deg region in the galactic centre.

연구 동기 및 목표

• 30 GeV 다크 물질 후보가 지질 감마선 과잉을 담당할 수 있다면, 동일한 물질이 은하중심의 511 keV 양전자 결합 선을 설명할 수 있는지 테스트한다.
• 버블 내에서 쿨롱 손실이 무시 가능하다는 가정 하에 두 신호를 연결지은 이른바 주장의 타당성을 평가한다.
• 은하 핵의 실존적인 전자 수밀도를 사용하여 511 keV 광자 방사선 밀도를 재평가한다.
• 확산과 에너지 손실 과정이 관측된 511 keV 방사선 밀도를 다크 물질 붕괴에 의한 b̄b 생성과 조화시킬 수 있는지 확인한다.
• 핵에서 전자 밀도가 0이라고 가정할 경우 발생하는 비물리적 저에너지 음전자 스펙트럼 강화를 수정한다.

제안 방법

• 30 GeV 다크 물질이 b̄b로 붕괴할 때 발생하는 음전자에 대한 확산 모델을 사용하였으며, 쿨롱 산란에 의한 에너지 손실을 포함시켰다.
• 지질 과잉을 설명하기 위해 ρ₀ = 0.36 GeV/cm³, rₛ = 30 kpc, γ = 1.2의 NFW 다크 물질 밀도 프로파일을 적용하였다.
• 교차단면 σv = 3×10⁻²⁶ cm³/s와 메이저라나 다크 물질 요소 η = 1/2를 사용하여 총 음전자 주입률을 계산하였다.
• mₘ = 30 GeV 및 ρ₀ = 0.36 GeV/cm³일 때 매초 주입되는 음전자 수 dNₑ⁺/dt ≈ 1.8×10⁴⁰ s⁻¹로 계산되었다.
• Delahaye 등(2008)과 Lacroix 등(2014)의 세 가지 파라미터 세트(MIN, MED, MAX)를 사용하여 확산된 음전자 스펙트럼을 시뮬레이션하였으며, B = 3 μG 및 nₕ = 2 cm⁻³를 적용하였다.
• 결과로 도출된 511 keV 광자 방사선 밀도를 관측된 값 ~10⁻³ ph/cm²/s와 비교하였으며, 전자 밀도 nₑ > 10⁻³ cm⁻³ 조건을 적용하여 비물리적 저에너지 축적을 방지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 30 GeV 다크 물질이 b̄b로 붕괴할 때, 은하중심의 지질 감마선 과잉과 511 keV 양전자 결합 선을 모두 설명할 수 있는가?
• RQ2 은하 핵 내 비제로 전자 밀도를 고려할 경우, 다크 물질에 의해 유도된 음전자로부터 예측되는 511 keV 방사선 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이전 모델에서 저에너지 피크가 나타나는 이유는 무엇이며, 전자 밀도가 이 문제를 어떻게 해결하는가?
• RQ4 실제 에너지 손실과 확산 조건을 고려할 때, 30 GeV 다크 물질이 b̄b로 붕괴할 경우 얻을 수 있는 최대 511 keV 방사선 밀도는 얼마인가?
• RQ5 관측된 511 keV 방사선 밀도 ~10⁻³ ph/cm²/s는 다크 물질 붕괴에 의한 총 음전자 주입률과 일치하는가?

주요 결과

• 전자 밀도 nₑ > 10⁻³ cm⁻³일 경우, 30 GeV 다크 물질이 b̄b로 붕괴할 때 예측된 511 keV 광자 방사선 밀도는 약 10⁻⁶ ph/cm²/s이며, 관측된 약 10⁻³ ph/cm²/s보다 훨씬 낮다.
• 이전 모델은 전자 밀도가 0에 가까운 것으로 가정하여 쿨롱 손실을 무시했으며, 이로 인해 저에너지 음전자 스펙트럼에 비물리적 피크가 발생하여 약 1000배의 인위적 방사선 밀도 증가를 초래하였다.
• σv = 3×10⁻²⁶ cm³/s 및 mₘ = 30 GeV일 때 음전자 주입률은 약 1.8×10⁴⁰ s⁻¹로 추정되었으며, 이는 관측된 511 keV 방사선 밀도를 생성하기에는 부족하다.
• 실제 전자 밀도를 고려할 경우, 음전자 에너지 손실이 저에너지 축적을 방지하여 확산 스펙트럼에서 비물리적 날카운 피크를 제거하였다.
• 모델는 30 GeV 다크 물질이 b̄b로 붕괴할 경우 지질 과잉과 511 keV 선에 대한 공통된 다크 물질 기원이 배제됨을 결론 내렸다.
• 방사선 밀도의 격차(1000배)는 511 keV 신호가 이러한 다크 물질 후보에서 기인할 수 없음을 시사하며, 추가적인 기여원이나 메커니즘이 도입되지 않는 한 이는 불가능하다.