[논문 리뷰] Interpretations of the DAMPE electron data

Qiang Yuan, Lei Feng외 27명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 29.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 44

한 줄 요약

이 논문은 고정밀 전자 및 양전자 스펙트럼을 제공하는 DAMPE 위성 미션의 해석을 통해 약 0.9 TeV에서 스펙트럼의 연약해짐과 약 1.4 TeV에서의 잠재적 피크를 규명한다. 주요 설명으로는 (1) 특정 자기장 및 회전 특성을 가진 중년의 고립 펄사에서 발생하는 냉각된 초상대론적 $e^+e^-$ 바람, 또는 (2) 근처의 밀도가 높은 덩어리 또는 과밀도 영역($\lesssim 0.3$ kpc)에서의 암흑물질 붕괴로 설명 가능하며, 이 경우 붕괴 단면적이 증가하지 않으면 극도로 질량 또는 밀도가 증가해야 한다.

ABSTRACT

The DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), a high energy cosmic ray and $γ$-ray detector in space, has recently reported the new measurement of the total electron plus positron flux between 25 GeV and 4.6 TeV. A spectral softening at $\sim0.9$ TeV and a tentative peak at $\sim1.4$ TeV have been reported. We study the physical implications of the DAMPE data in this work. The presence of the spectral break significantly tightens the constraints on the model parameters to explain the electron/positron excesses. The spectral softening can either be explained by the maximum acceleration limits of electrons by astrophysical sources, or a breakdown of the common assumption of continuous distribution of electron sources at TeV energies in space and time. The tentive peak at $\sim1.4$ TeV implies local sources of electrons/positrons with quasi-monochromatic injection spectrum. We find that the cold, ultra-relativistic $e^+e^-$ winds from pulsars may give rise to such a structure. The pulsar is requird to be middle-aged, relatively slowly-rotated, mildly magnetized, and isolated in a density cavity. The annihilation of DM particles ($m_χ\sim1.5$ TeV) into $e^+e^-$ pairs in a nearby clump or an over-density region may also explain the data. In the DM scenario, the inferred clump mass (or density enhancement) is about $10^7-10^8$ M$_\odot$ (or $17-35$ times of the canonical local density) assuming a thermal production cross section, which is relatively extreme compared with the expectation from numerical simulations. A moderate enhancement of the annihilation cross section via, e.g., the Sommerfeld mechanism or non-thermal production, is thus needed.

연구 동기 및 목표

• 최근 측정된 DAMPE 전자 및 양전자 스펙트럼을 4.6 TeV까지 해석하여, 약 0.9 TeV에서의 스펙트럼 연약해짐과 약 1.4 TeV에서의 잠재적 피크를 분석한다.
• 관측된 특징이 천체물리적 원천, 특히 펄사에 의해 설명될 수 있는지 또는 근처 과밀도 영역에서의 암흑물질 붕괴에 의해 설명될 수 있는지 테스트한다.
• 기존의 우주마이크파배경, 감마선, 반프로톤 관측 결과로부터의 제약 조건과 제안된 모델의 일관성을 평가한다.
• 이러한 모델에서 기대되는 전자 플럭스의 비균일성과 향후 CTA와 같은 기구에서의 탐지 가능성 평가한다.
• 특히 표준 또는 증가된 붕괴 단면적 조건에서 DAMPE 데이터를 재현하기 위해 필요한 펄사 또는 암흑물질 준은하의 물리적 파rameter를 결정한다.

제안 방법

• 동기광 및 역코메트 스캐터링에 의한 에너지 손실 항목을 포함한 확산-반응 방정식을 사용하여 은하 내 전자 및 양전자 확산을 모델링한다.
• quasi-단색 주입을 약 1.4 TeV로 가정하여 냉각된 초상대론적 $e^+e^-$ 바람을 통해 펄사에서의 주입 스펙트럼을 시뮬레이션한다.
• 고해상도 N-body 시뮬레이션에서 유래한 tidal-stripped NFW 프로파일을 사용하여 근처 덩어리 또는 국지 과밀도 영역에서의 암흑물질 붕괴에 의한 전자 플럭스를 계산한다.
• Fermi-LAT 감마선 관측 결과, CMB 측정값, 반프로톤 플럭스를 적용하여 타당한 매개변수 공간을 제한한다.
• 국소적 원천에 의해 기대되는 전자 플럭스의 비균일성을 추정하고 Fermi-LAT 측정 결과와 비교한다.
• Aquarius N-body 시뮬레이션 결과를 활용하여 태양계 근처의 암흑물질 준은하의 밀도 프로파일을 유도하며, tidal stripping 효과를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAMPE 데이터에서 약 0.9 TeV에서 관측된 스펙트럼 연약해짐은 천체물리적 전자 원천의 최대 가속 한계 또는 연속적인 원천 분포 가정의 붕괴에 기인하는가?
• RQ2 약 1.4 TeV에서의 잠재적 피크는 거의 단색 주입 전자에 의해 요구되며, 만약 그렇다면 어떤 천체물리적 원천이 그러한 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ3 DAMPE 데이터는 근처의 덩어리 또는 국지 과밀도 영역에서의 암흑물질 붕괴에 의한 $e^+e^-$ 쌍 생성으로 설명될 수 있는가? 이 경우 필요한 질량 또는 밀도 증가율은 얼마인가?
• RQ4 펄사 또는 암흑물질 준은하의 추정된 매개변수는 천체론적 시뮬레이션과 관측 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 펄사 또는 암흑물질 모델에서 예측된 전자 플럭스의 비균일성은 현재의 Fermi-LAT 측정 결과와 일치하는가? 향후 CTA와 같은 기구는 이 두 시나리오를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 약 0.9 TeV에서의 스펙트럼 연약해짐은 공간과 시간에 걸쳐 전자 원천의 연속적 분포 가정이 테바 에너지에서 붕괴됨을 시사한다.
• 약 1.4 TeV에서의 잠재적 피크는 매우 단색 에너지로 전자를 주입하는 원천이 필요하며, 이는 중년의 느린 회전, 약간의 자기장, 고립된 펄사에서 발생하는 냉각된 초상대론적 $e^+e^-$ 바람과 일치한다.
• 펄사 모델은 전자 에너지 손실을 최소화하기 위해 펄사가 국소 빈공(예: 로컬 버블) 내에 있어야 한다는 요구 조건을 수반한다.
• 암흑물질 붕괴에 의한 $e^+e^-$ 쌍 생성은 붕괴 단면적이 증가(예: Sommerfeld 메커니즘에 의해)하지 않으면 피크를 설명할 수 없으며, 이 경우 표준 단면적 조건에서는 $10^7$–$10^8$ M⊙의 덩어리 질량 또는 표준 값의 17–35배의 국지 밀도 증가가 필요하다.
• 필요한 암흑물질 덩어리 또는 과밀도 영역은 전자 에너지 손실을 피하기 위해 지구로부터 약 0.3 kpc 이내여야 한다.
• 이 모델들은 Fermi-LAT 감마선 및 비균일성 데이터와 일관되며, 향후 CTA의 관측을 통해 펄사 모델과 암흑물질 시나리오를 구분할 수 있다.