[논문 리뷰] Combined analyses of the antiproton production from cosmic-ray interactions and its possible dark matter origin

Pedro De la Torre Luque|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 14.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 110인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 2차 우주선 비율(B/C, Be/B, Li/Be)과 반프로톤 대 프로톤 비율(¯p/p)의 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 분석을 통합하여 우주선 전파 파rameter와 단면적 불확실성의 범위를 제약한다. 연구 결과, AMS-02의 ¯p/p 스펙트럼의 에너지 의존성이 순수한 2차 기원에 의해 잘 설명되며, 약 10%의 초과는 어두운 물질 WIMP 신호보다는 반프로톤 생성 단면적의 10% 재스케일링에 의해 더 잘 설명됨을 확인하였다.

ABSTRACT

Recent cosmic-ray (CR) studies have claimed the possibility of an excess on the antiproton flux over the predicted models at around $10$ GeV, which can be the signature of dark matter annihilating into hadronic final states that subsequently form antiprotons. However, this excess is subject to many uncertainties related to the evaluation of the antiproton spectrum produced from spallation interactions of CRs. In this work, we implement a combined Markov-Chain Monte Carlo analysis of the secondary ratios of B, Be and Li and the antiproton-to-proton ratio ($\bar{p}/p$), while also including nuisance parameters to consider the uncertainties related to the spallation cross sections. This study allows us to constrain the Galactic halo height and the rest of propagation parameters, evaluate the impact of cross sections uncertainties in the determination of the antiproton spectrum and test the origin of the excess of antiprotons. In this way, we provide a set of propagation parameters and scale factors for renormalizing the cross sections parametrizations that allow us to reproduce all the ratios of B, Be, Li and $\bar{p}$ simultaneously. We show that the energy dependence of the $\bar{p}/p$ ratio is compatible with a pure secondary origin. We find that the energy dependence of the evaluated $\bar{p}/p$ spectrum matches the AMS-02 data at energies above $\sim3$GeV, although there is still a nearly constant $\sim10\%$ excess of $\bar{p}$ over our prediction. We discuss that this discrepancy is more likely explained from a $\sim10\%$ scaling in the cross sections of antiproton production, rather than a component of dark matter leading to antiprotons. In particular, we find that the best-fit WIMP mass ($\sim 300$ GeV) needed to explain the discrepancy lies above the constraints from most indirect searches of dark matter and the resultant fit is poorer than with a cross sections scaling.

연구 동기 및 목표

• 약 10 GeV에서 예측된 반프로톤 플럭스와 관측된 반프로톤 플럭스 사이의 오랜 기간 지속된 불일치를 해결하기 위해.
• 관측된 반프로톤 초과가 어두운 물질 붕괴에 의한 것인지, 또는 산란 단면적의 체계적 불확실성 때문인지 테스트하기 위해.
• 다양한 2차 우주선 비율을 동시에 사용하여 전파 파rameter(확산, 할로 높이 등)와 단면적 스케일 요소를 동시에 제약하기 위해.
• 단면적 불확실성이 반프로톤 스펙트럼 예측에 미치는 영향과 초과의 유의미성 평가하기 위해.

제안 방법

• AMS-02 데이터를 사용하여 B/C, Be/B, Li/Be 비율과 ¯p/p 비율의 통합 MCMC 분석을 수행한다.
• B, Be, Li 생성을 위한 산란 단면적을 재규합하기 위해 부수적 변수를 통합한다.
• 우주선 전파 및 은하 내 반프로톤 생성을 시뮬레이션하기 위해 DRAGON2 코드를 사용한다.
• 질량과 ⟨σv⟩로 매개화된 WIMP이 강입자 최종 상태로 붕괴하는 방식으로 어두운 물질 기여를 모델링한다.
• WIMP 성분이 포함된 경우와 없는 경우의 피팅을 비교하여 유의미성과 간접 탐지 제약 조건과의 일관성 평가한다.
• 최신 AMS-02 ¯p/p 데이터셋을 활용하여 제약 조건을 강화하고 잔차의 형태를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 10 GeV에서 관측된 반프로톤 초과는 순수한 2차 기원과 일치하는가, 아니면 어두운 물질 성분이 필요한가?
• RQ2 산란 단면적의 불확실성이 반프로톤 스펙트럼 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 B, Be, Li 및 ¯p/p 비율을 동시에 피팅함으로써 전파 파ram터와 단면적 스케일 요소를 더 견고하게 제약할 수 있는가?
• RQ4 초과를 설명하기 위해 필요한 최적의 WIMP 질량과 붕괴 단면적은 무엇이며, 다른 간접 탐지 결과와 일치하는가?
• RQ5 ¯p/p 스펙트럼의 잔차 형태는 WIMP 신호와 유사한가, 아니면 체계적 오프셋과 유사한가?

주요 결과

• ¯p/p 스펙트럼의 에너지 의존성이 순수한 2차 기원에 의해 잘 재현되며, 10 GeV에서 잔차는 12% 이하이다.
• 3 GeV 이상에서 예측 대비 반프로톤 플럭스에 약 10%의 일정한 초과가 관측되며, 이는 반프로톤 생성 단면적의 10% 재스케일링에 의해 가장 잘 설명된다.
• 초과를 설명하기 위해 필요한 최적의 WIMP 질량은 약 300 GeV이며, 이는 대부분의 간접 어두운 물질 탐지 제약 조건을 초과하고, 단면적 재스케일링보다 피팅 성능이 열 劣하다.
• 10% 단면적 스케일링을 포함한 피팅의 χ² 값은 WIMP 성분을 포함한 피팅보다 거의 두 배 낮아, 통계적으로 훨씬 더 우수한 피팅임을 시사한다.
• 최신 AMS-02 ¯p/p 데이터셋을 사용함으로써 이전 데이터셋보다 더 평탄한 잔차를 얻었으며, 눈에 띄는 볼록형 구조가 감소하여 WIMP 신호의 가능성은 약화되었다.
• 이 분석은 B, Be, Li 및 ¯p/p 비율을 1σ 불확실성 범위 내에서 동시에 잘 재현하는 일관된 전파 파arameter와 단면적 스케일 요소의 집합을 제공한다.