[논문 리뷰] Astrophysical background and dark matter implication based on latest AMS-02 data

Hong-Bo Jin, Yue-Liang Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 09.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 최신 AMS-02 데이터를 활용하여 GALPROP 코드와 QGSJET-II-04 강입자 상호작용 모델을 포함한 확산-대류-재가속화(DCR) 전파 모델 내에서 간성선 입자 및 반프로톤 배경을 분석한다. DCR 모델은 애초에 이국적 원천을 요구하지 않고도 프로톤, 양성자, 반프로톤에 대한 AMS-02 데이터를 성공적으로 재현하며, 양성자 과잉을 설명하기 위해 암흑물질 질량이 400 GeV에서 4 TeV 사이여야 한다고 예측한다.

ABSTRACT

The cosmic ray(CR) positrons and antiprotons are often regarded as the collision products of CR nucleons with the interstellar medium. However this conclusion is challenged by recent experimental data. In this work, we choose the latest AMS-02 data to analyze the astrophysical background of CR positrons and antiprotons with the GALPROP code for CR propagation and the QGSJET-II-04 model for the hadronic interactions. The results show that in low energies the predicted fluxes of CR antiprotons and positrons are consistent with AMS-02 data in the diffusion model combining the re-acceleration and convection terms (DCR model). Thus, the excess of CR antiprotons in the low energy are not justified. In that model, the predicted flux of CR protons is consistent with AMS-02 data whose hardening feature above 330 GeV is also matched. Based on that model, the total fluxes of CR electrons and positrons from AMS-02 are also used to analyzed the interpretation of dark matter annihilation about the positron excess. The predicted best-fit masses of dark matter are from 400 GeV to 4 TeV. The DCR model does not give the unusual interpretation of the positron excess.

연구 동기 및 목표

• AMS-02 데이터에서 관측된 간성선 입자 및 반프로톤 과잉이 표준 천체물리적 배경 이외의 새로운 물리학이 필요한지 여부를 규명하는 것.
• 확산-대류-재가속화(DCR) 모델이 프로톤, 반프로톤, 양성자 및 B/C 비율에 대한 고정밀 AMS-02 데이터와 일관된지 테스트하는 것.
• 예측된 제2차 배경과 AMS-02 측정치를 비교하여 암흑물질 붕괴의 의미를 평가하는 것.
• 전파 모델 제약 조건 하에서 서로 다른 간성선 데이터 세트(예: Be10/Be9, 반프로톤, 양성자) 간의 갈등을 해결하는 것.

제안 방법

• GALPROP 코드를 사용하여 은하 내 간성선 입자 전파를 시뮬레이션하며, 확산, 대류, 재가속화 효과를 포함한다.
• QGSJET-II-04 모델을 사용하여 제2차 반프로톤 및 양성자 생성에 기여하는 강입자 상호작용을 계산한다.
• AMS-02 데이터를 이용해 프로톤 플럭스 및 B/C 비율에 기반한 전파 매개변수(예: 확산 계수, 허브 높이, 알프레드 속도)를 제약 조건화한다.
• 모델은 독립적인 데이터(양성자 플럭스, 반프로톤 플럭스, ACE의 Be10/Be9 비율)에 대해 테스트된다.
• 암흑물질 붕괴 기여는 MINUIT를 사용한 매개변수 최적화를 통해 총 전자 및 양성자 플럭스를 AMS-02 데이터에 맞추어 평가된다.
• 암흑물질 붕괴 단면적에 대한 제약 조건을 유도하고, 자이로드-스피너oidal 은하계의 페르미-LAT 감마선 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대류 및 재가속화 항목을 포함한 DCR 모델이 암흑물질을 요구하지 않고 AMS-02에서 관측된 간성선 입자 및 반프로톤 플럭스를 충분히 설명할 수 있는가?
• RQ2 총 전자 및 양성자 플럭스를 AMS-02 데이터에 맞추었을 때 암흑물질 질량과 붕괴 채널에 어떤 의미가 있는가?
• RQ3 ACE의 Be10/Be9 데이터를 포함시켰을 때 DCR 모델에서 반프로톤 및 양성자 데이터와 갈등이 발생하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 예측된 암흑물질 붕괴 단면적은 자이로드-스피너oidal 은하계의 페르미-LAT 감마선 관측치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 330 GeV 이상에서 프로톤 스펙트럼의 하드닝 특징은 DCR 프레임워크 내에서 일관되게 설명될 수 있는가?

주요 결과

• DCR 모델은 330 GeV 이상의 하드닝 특징을 포함하여 간성선 프로톤, 양성자, 반프로톤에 대한 AMS-02 데이터를 이국적 원천 없이 성공적으로 재현한다.
• DCR 모델에서 예측된 간성선 양성자 플럭스는 AMS-02 데이터와 일치하며, '양성자 과잉'이 새로운 천체물리적 원천이 필요하지 않음을 시사한다.
• 양성자 과잉을 설명하기 위한 최적의 암흑물질 질량 범위는 400 GeV에서 4 TeV이며, Z 보손 최종 상태가 가장 좋은 맞춤을 제공한다.
• 양성자 과잉을 설명하기 위해 필요한 붕괴 단면적은 페르미-LAT 감마선 데이터에서 유추된 것보다 현저히 높으며, 이는 해석에 갈등을 암시한다.
• DCR 모델은 반프로톤 및 양성자 데이터를 피팅에서 제외할 경우에만 ACE 데이터와 일치하는 Be10/Be9 비율을 예측하며, 이는 이러한 데이터 세트 간의 갈등을 시사한다.
• 모델은 고에너지에서 반프로톤 데이터의 약간의 과잉이 암흑물질 해석에 강한 제약을 주지 않으며, 반프로톤 채널에 대한 최적의 암흑물질 질량은 300 GeV에서 700 GeV 사이임을 보여준다.