[논문 리뷰] Expectations of the Cosmic Antideuteron Flux

Sujie Lin, Xiao-Jun Bi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 앵티드테론 우주 플럭스에 대한 종합적인 불확실성 분석을 제공하며, 앵티드테론 생성에 기여하는 강한 상호작용 모델(EPOS, QGSJET-II)과 우주선 확산 모델(DC, DR, DR-2, DRC)을 AMS-02 B/C 비율 및 $\bar{p}/p$ 데이터로 제약 조건을 걸어 평가한다. 연구 결과, 향후 실험에서 검출하기에는 천체물리적 배경이 너무 낮지만, 100 GeV 이하의 어두운 물질 입자에서의 붕괴 신호는 하위-GeV 영역에서 더 평탄하고 딱딱한 스펙트럼을 띄기 때문에 여전히 검출 가능하다고 밝혔다.

ABSTRACT

The cosmic antideuteron is a promising probe for the dark matter annihilation signature. In order to determine the DM signature, the background astrophysical antideuteron flux should be carefully studied. In this work we provide a new calculation of the secondary antideuteron flux, and pay special attention to the uncertainties from hadronic interaction models by using several Monte Carlo generators. The uncertainties from propagation effects are also carefully investigated for both the astrophysical background and DM annihilation signature in several scenarios, which are constrained by the latest B/C ratio measured by AMS-02. Considering these uncertainties, we find that the secondary antideuteron flux is hard to detect in the near future detectors. However, the antideuteron signature from dark matter annihilation will be detectable even considering the constraint from the AMS-02 observation of the $\bar{p}/p$ ratio.

연구 동기 및 목표

• 강한 상호작용 모델의 불확실성 영향이 제2차 앵티드테론 플럭스 예측에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 확산 모델의 불확실성(확산, 대류, 재가속)이 배경 및 어두운 물질 앵티드테론 플럭스에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 최신 AMS-02 $\bar{p}/p$ 비율 데이터를 활용해 어두운 물질 붕괴 단면적을 제약 조건을 걸기 위해.
• 향후 실험 감도를 고려해 어두운 물질 붕괴에서 기인한 앵티드테론 신호의 검출 가능성 평가하기 위해.
• 미래 실험이 어두운 물질 신호를 천체물리적 배경과 구별할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 포미론 프레임워크 내에서 몽테카를로 생성기 EPOS와 QGSJET-II를 사용해 반프로톤 및 반뉴트론 생성을 시뮬레이션하였다.
• 이온 결합 모델을 적용해 제2차 반핵자로부터 앵티드테론 형성 확률를 계산하였다.
• GALPROP를 사용해 네 가지 확산 모델(DC, DR, DR-2, DRC)을 적용한 우주선 확산 방정식을 해결하였다.
• AMS-02 B/C 비율 데이터에 대한 MCMC 피팅을 통해 확산 모델 매개변수를 제약 조건을 걸었다.
• 최신 AMS-02 $\bar{p}/p$ 비율 제약 조건을 바탕으로 어두운 물질 붕괴 단면적에 영향을 주었다.
• PYTHIA를 사용해 어두운 물질이 $b\bar{b}$ 최종 상태로 붕괴하는 것을 시뮬레이션하였으며, NFW 어두운 물질 밀도 프로파일을 채택하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EPOS와 QGSJET-II 간의 강한 상호작용 모델 불확실성이 예측된 제2차 앵티드테론 플럭스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 확산 모델(DC, DR, DR-2, DRC)이 하위-GeV 에너지 영역에서 예측된 앵티드테론 플럭스에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 AMS-02 B/C 비율 및 $\bar{p}/p$ 비율 제약 조건이 어두운 물질 붕괴 단면적의 상한선에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 배경 불확실성에도 불구하고, 향후 실험인 AMS-02 및 GAPS가 어두운 물질 붕괴에서 기인한 앵티드테론 플럭스를 검출할 수 있는가?
• RQ5 왜 확산 홀로 크기 $L$이 어두운 물질 앵티드테론 플럭스에 대해 주요 불확실성 요소이지만, 배경 플럭스에 대해서는 덜 중요한가?

주요 결과

• 다른 강한 상호작용 생성기(EPOS 대비 QGSJET-II)를 사용해 예측한 제2차 앵티드테론 플럭스는 몇 가지 GeV에서 약 2배의 변화를 보였다.
• 확산 모델 불확실성으로 인해 하위-GeV 영역에서 플럭스가 약 3~10배 정도 변동하였으며, 특히 어두운 물질 신호의 경우 홀로 크기 $L$이 주요 불확실성 원인이었다.
• 천체물리적 배경 앵티드테론 플럭스는 현재의 불확실성 조건 하에서도, 향후 실험인 AMS-02 및 GAPS에서 검출하기에는 너무 낮았다.
• 100 GeV 이하의 어두운 물질 질량에서의 어두운 물질 붕괴 신호는 하위-GeV 영역에서 더 평탄하고 딱딱한 스펙트럼을 띄어 배경과 더 잘 구별될 수 있었다.
• AMS-02 $\bar{p}/p$ 비율에 의해 엄격하게 제약 조건을 걸었음에도 불구하고, $m_{\text{DM}} = 50\,\text{GeV}$, $100\,\text{GeV}$, $1000\,\text{GeV}$인 어두운 물질 붕괴 신호는 여전히 검출 가능했으며, $\langle\sigma v\rangle$ 상한선은 각각 $(0.93, 3.10, 8.51)\times 10^{-26}\,\text{cm}^3\text{s}^{-1}$였다.
• 어두운 물질 붕괴에서 기인한 앵티드테론 플럭스는 배경 플럭스보다 확산 매개변수 $D_0$ 및 $L$에 더 민감했으며, 이는 어두운 물질 홀로의 확장된 원천 분포와 배경 원천의 디스크에 국한된 분포의 차이 때문이었다.