[논문 리뷰] Constraints on mixed dark matter model of particles and primordial black holes from the Galactic 511 keV line

Rong-Gen Cai, Xing-Yu Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 23.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 입자와 초기 블랙홀(PBHs)을 조합한 혼합 어둠침 물질 모델을 조사하며, PBHs가 밀도 스파이크를 통해 양전자 생성을 증가시켜 어둠침 물질 내 PBH 비율을 제약할 수 있음을 보여준다. 질량 10 GeV–1 TeV인 흥분된 어둠침 물질(XDM)의 경우, 질량에 따라 변하는 전환점에서 f_PBH ≲ 10⁻¹¹의 가장 엄격한 제약을 받으며, 경량 어둠침 물질(1–3 MeV)은 여전히 약한 제약을 받는다.

ABSTRACT

The 511 keV line was first detected in 1970's but its origin is still unknown. It was proposed that positrons from dark matter (DM) particles in the halo of galaxy are possible sources. We consider a mixed DM model consisting of DM particles and primordial black holes (PBHs). With the existence of PBHs, the DM particles may be gravitationally bound to the PBHs and form halo around PBHs with density spikes. These density spikes can enhance the production rate of positrons from DM particles, thus they are constrained by the observations of 511 keV line. We compute the profile of the density spikes, and get the constraints on the fraction of PBHs in DM $f_{\mathrm{PBH}}$ for light dark matter (LDM) scenario and excited dark matter (XDM) scenario respectively. For LDM with mass in the range of $1\mathrm{MeV} \sim 3\mathrm{MeV}$, the constraints are loose. For XDM with mass in the range of $10\mathrm{GeV} \sim 1\mathrm{TeV}$, the constraints have $M_{\mathrm{PBH}}^{-2}$ slope in the relative small mass range, and roughly have $M_{\mathrm{PBH}}^{2/5}$ slope in the relative large mass range. The most stringent constraint $f_{\mathrm{PBH}} \lesssim 10^{-11}$ appears at the turning point which depends on the mass of XDM.

연구 동기 및 목표

• 은하계 허브에서 초기 블랙홀(PBHs)이 어둠침 물질(DM)의 양전자 생성에 미치는 영향을 탐구하기.
• PBH 주변의 밀도 스파이크를 통해 PBHs가 511 keV 양전자 결합 선을 어떻게 증가시킬 수 있는지 평가하기.
• 511 keV 선 데이터를 사용하여 어둠침 물질 구성 요소 내 PBH 비율인 f_PBH에 대한 관측 제약을 유도하기.
• 경량 DM(1–3 MeV)과 흥분된 DM(10 GeV–1 TeV)을 포함한 다양한 어둠침 물질 시나리오 간 제약 비교하기.

제안 방법

• PBH 주변의 중력 포텐셜을 모델링하여 허브 내 어둠침 물질 입자의 밀도 프로파일을 계산하고, 밀도 스파이크를 유도하기.
• PBH에 의한 중력 집중 효과로 수정된 나바르-프랭크-화이트(NFW)-유사 프로파일을 사용하여 PBH 주변의 증가된 어둠침 물질 밀도를 추정하기.
• 밀도 스파이크 증폭을 고려한 어둠침 물질 결합으로부터의 양전자 생성률을 계산하기.
• 511 keV 감마선 선의 관측 제한을 적용하여 어둠침 물질 내 PBH 비율인 f_PBH를 제약하기.
• 경량 및 흥분된 어둠침 물질 시나리오에 대해 f_PBH 제약이 PBH 질량(M_PBH)에 따라 어떻게 달라지는지 유도하기.
• M_PBH⁻² 및 M_PBH²/⁵ 스케일링 영역 간 전이 분석을 통해 가장 엄격한 제약이 발생하는 질량 척도를 식별하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 블랙홀(PBHs)은 은하 허브 내 어둠침 물질 입자의 밀도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 PBHs는 얼마나 많은 정도로 어둠침 물질 결합을 통해 양전자 생성률을 증가시킬 수 있는가?
• RQ3 511 keV 선을 근거로 어둠침 물질 구성 요소 내 PBH 비율인 f_PBH에 대한 관측 제약은 무엇인가?
• RQ4 경량 및 흥분된 어둠침 물질 시나리오에서 f_PBH 제약은 PBH 질량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 흥분된 어둠침 물질 시나리오에서 f_PBH 제약이 가장 엄격해지는 PBH 질량은 얼마인가?

주요 결과

• 경량 어둠침 물질(1–3 MeV)의 경우, 낮은 결합 단면적과 제한된 스파이크 증폭으로 인해 f_PBH 제약이 약하다.
• 흥진된 어둠침 물질(10 GeV–1 TeV)의 경우, 저질량 PBH 범위에서 f_PBH는 M_PBH⁻² 의존성을 보인다.
• 고질량 PBH 범위에서는 f_PBH가 M_PBH²/⁵ 의존성을 따르며, 스케일링 행동의 전이를 나타낸다.
• 가장 엄격한 제약인 f_PBH ≲ 10⁻¹¹는 흥진된 어둠침 물질 시나리오에서 질량에 따라 변하는 전환점에서 발생한다.
• 전환점 질량은 어둠침 물질 입자의 질량에 따라 달라지며, 더 무거운 XDM 입자는 최적의 제약이 더 높은 PBH 질량로 이동시킨다.
• 결과적으로, 혼합 어둠침 물질 모델 내 PBH는 511 keV 선에 의해 특히 흥진된 어둠침 물질 프레임워크에서 강력하게 제약받는다.