[논문 리뷰] Cosmic Ray Antiprotons from Relic Neutralinos in a Diffusion Model

Fiorenza Donato, N. Fornengo외 3명|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하수 다크 홀로의 유물 중성하이포논 붕괴에서 유래하는 우주선 반프로톤 플럭스를 안정한 핵종 데이터에 캘리브레이션된 이중영역 확산 모델을 사용하여 계산한다. 항성계 확산 매개변수의 불확실성으로 인해 주요 반프로톤 플럭스에 약 두 수준의 불확실성이 발생하여, 현재 데이터로 초과대칭 매개변수 공간을 제약하는 데 어려움이 있으며, 심지어 초과대칭 매개변수 공간을 체계적으로 스캔하고 태양 최소 활동기 동안 BESS, CAPRICE, AMS 관측 결과와 비교한 후에도 마찬가지이다.

ABSTRACT

We use the constraints on the diffusion parameters as obtained with stable nuclei to calculate the cosmic antiproton flux from annihilating relic neutralinos. We discuss the relevance of each characteristic parameter, describing our two dimension diffusion model, on the flux of antiprotons produced in the dark halo of our Galaxy. We estimate a two orders of magnitude uncertainty on the flux due to the unknowledge of the propagation parameters. A conservative and systematic evaluation of the flux in the supersymmetric parameter space is done in order to exclude configurations providing a total (secondary plus primary) flux in excess with observations. We also study the effect on the flux induced by modifications in the distribution of cold dark matter in the Galaxy.

연구 동기 및 목표

• 물리적으로 타당한 확산 모델을 사용하여 은하수 다크 홀로의 유물 중성하이포논 붕괴에서 유래하는 주요 반프로톤 플럭스를 추정하기 위해.
• 우주선 확산 불확실성의 영향을 예측된 반프로톤 플럭스에 대해 정량화하기 위해.
• 관측된 반프로톤 플럭스와 일치하지 않는 구성이 제외되는 초과대칭 매개변수 공간을 체계적으로 평가하기 위해.
• 다크 물질 밀도 프로파일과 홀로 구조가 반프로톤 플럭스 예측에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이론적 예측을 태양 최소 활동기 동안의 BESS, CAPRICE, AMS 관측 데이터와 비교하기 위해.

제안 방법

• 붕소 대 탄소 비율 측정치에 기반하여 확산 매개변수를 제약하는 데 캘리브레이션된 이중영역 확산 모델을 사용하여 우주선 확산을 모델링한다.
• 중성하이포논 붕괴에서 유래하는 소스 항을 포함한 운반 방정식을 적용하며, 속도 평균 단면적 ⟨σv⟩ 과 중성하이포논 질량 밀도 ρχ(r,z) 를 포함한다.
• 쿼크 및 글루온의 하드론화에서 유래하는 반프로톤 미분 스펙트럼 g(Tp) 를 계산하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션(Jetset 7.2)을 사용한다.
• 에너지 의존성 있는 확산 매개변수 S_i 와 A_i 를 사용하여 지구(지오센트릭 고도 z=0)에서의 반프로톤 플럭스에 대해 베셀 함수 변환을 통해 운반 방정식을 해석한다.
• χ²_B/C ≤ 40 과 χ²_B/C ≤ 30 조건을 만족하는 다양한 천체물리적 구성 조건을 고려하여 예측된 플럭스의 불확실성 밴드를 평가한다.
• 고고도 고글로벌 및 인공위 미션의 관측 데이터와 총 플럭스(주요 + 2차)를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잘 캘리브레이션된 확산 모델 하에서 은하수 홀로의 중성하이포논 붕괴에서 기대되는 반프로톤 플럭스는 무엇인가요?
• RQ2 예측된 반프로톤 플럭스는 우주선 확산 매개변수의 불확실성에 얼마나 민감한가요?
• RQ3 현재 반프로톤 관측 결과에 의해 제외되는 초과대칭 매개변수 공간의 구성은 무엇인가요?
• RQ4 다른 다크 물질 밀도 프로파일은 예측된 주요 반프로톤 플럭스에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 태양 최소 활동기에서 관측된 반프로톤 스펙트럼은 2차 및 주요(중성하이포논 유도) 기여를 구분할 수 있나요?

주요 결과

• 조절된 χ²_B/C ≤ 40 조건 하에서도 확산 매개변수의 불확실성으로 인해 중성하이포논 붕괴에서 기인하는 주요 반프로톤 플럭스에 약 두 수준의 불확실성이 존재한다.
• mχ = 100 GeV 이고 ⟨σv⟩ = 2.3×10⁻⁹ GeV⁻² 일 때, 1 GeV 이하 에너지 영역에서 플럭스 불확실성 밴드는 두 수준의 변화를 보인다.
• χ²_B/C ≤ 30 조건을 만족하는 구성에서는 에너지 범위 전반에서 플럭스 변화가 약 30배에 이르며, 이는 확산 모델 선택에 매우 민감함을 시사한다.
• 중간 천체물리 매개변수를 사용한 경우, 초과대칭 매개변수 공간 전체를 체계적으로 스캔한 후에도 현재 데이터로는 어떤 구성도 배제되지 않는다.
• χ²_B/C ≤ 40 조건에서, [3]에서 취득한 2차 반프로톤 플럭스는 주요 플럭스의 불확실성 밴드 내에 포함되어 있어 주요 신호를 분리하는 데 어려움이 있다.
• 시험한 질량들 중 mχ = 60 GeV 일 때 예측 플럭스가 가장 높으며, 더 높은 질량은 고에너지 영역에서 플럭스가 증가하는 경향을 보인다.