[논문 리뷰] MiXDM: Cosmic Ray Signals from Multiple States of Dark Matter

Ilias Cholis, Neal Weiner|ArXiv.org|2009. 11. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 133인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 여러 질량을 가진 WIMP 상태가 경량 보손으로 붕괴함으로써 수반되는 자연스러운 동일한 붕괴율을 갖는 다성분 암흑물질 모델인 MiXDM을 제안한다. 이는 극히 다른 수밀 밀도에도 불구하고 발생한다. 모델은 고에너지 양성자 및 전자에서의 특이한 스펙트럼 특징, 예를 들어 약 100 GeV에서의 피크를 생성하며, PAMELA, 페르미, INTEGRAL 이상 현상들을 통합적으로 설명하면서 필요한 단면적의 긴장도 완화한다. 이는 플랑크 위성으로 탐지 가능한 마이크로파 안개에서 관측 가능한 결과를 낳는다.

ABSTRACT

Recent data from cosmic ray experiments such as PAMELA, Fermi, ATIC and PPB-BETS all suggest the need for a new primary source of electrons and positrons at high (>~100 GeV) energies. Many proposals have been put forth to explain these data, usually relying on a single particle to annihilate or decay to produce e+e-. In this paper, we consider models with multiple species of WIMPs with significantly different masses. We show if such dark matter candidates chi_i annihilate into light bosons, they naturally produce equal annihilation rates, even as the available numbers of pairs for annihilation n_chi_i^2 differ by orders of magnitude. We argue that a consequence of these models can be to add additional signal naturally at lower (~100 GeV) versus higher (~ TeV) energies, changing the expected spectrum and even adding bumps at lower energies, which may alleviate some of the tension in the required annihilation rates between PAMELA and Fermi. These spectral changes may yield observable consequences in the microwave Haze signal observed at the upcoming Planck satellite. Such a model can connect to other observable signals such as DAMA and INTEGRAL by having the lighter (heavier) state be a pseudo-Dirac fermion with splitting 100 keV (1 MeV). We show that variations in the halo velocity dispersion can alleviate constraints from final state radiation in the galactic center and galactic ridge. If the lighter WIMP has a large self-interaction cross section, the light-WIMP halo might collapse, dramatically altering expectations for direct and indirect detection signatures.

연구 동기 및 목표

• PAMELA, 페르미, ATIC, PPB-BETS의 천체선 데이터 간의 긴장을 해결하기 위해 고에너지 전자 및 양전자를 유도하는 새로운 기여원이 존재할 가능성을 탐색한다.
• 다른 질량을 가진 여러 암흑물질 상태가 서로 다른 밀도를 가짐에도 불구하고 자연스럽게 유사한 붕괴율을 갖는지 탐구한다.
• 이러한 다성분 암흑물질 모델이 PAMELA의 양전자 초과, 페르미/HESS의 약 1 테바볼트에서의 경화 현상, 그리고 INTEGRAL의 511 keV 선을 동시에 설명할 수 있는지 조사한다.
• 특히 은하 중심에서의 비선형 방출에 의해 발생하는 2차 전자로부터 유도되는 동기방출을 통해 마이크로파 안개에서 관측 가능한 서명이 존재하는지 검토한다.
• 특히 더 가벼운 WIMP이 큰 자기상호작용 단면적을 가질 경우 직접 탐측 실험에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 모델은 여러 WIMP 종류($\chi_i$)가 경량 불안정 보손으로 붕괴하며, 이 보손이 $e^+e^-$로 붕괴함으로써 상당한 반프로톤 생성을 피하는 것을 가정한다.
• 냉각 과정에서 공통된 경량의 힘 매개입자로 굳어짐으로써, $n_{\chi_i}^2$가 수개의 순위로 다를지라도 붕괴율이 자연스럽게 동일해짐을 보여준다.
• 천체선 전파는 표준 확산 매개변수와 은하 중심에서 최대 33 $\mu$G인 국부 자기장 조건에서 GALPROP를 사용해 모델링한다.
• 보정 요소는 열적 잔여 밀도와 Einasto 프로파일을 기반으로 계산되며, $M_{\chi_1} \ll M_{\chi_2}$일 경우 $B.F. \approx \langle\sigma_{2}|v|\rangle_{\text{Fitted}} / (3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1})$로 스케일링된다.
• 2차 전자로부터의 동기방출은 수정된 베셀 함수 $K_{5/3}$를 포함한 방출 밀도 공식을 사용해 계산되며, 임계 주파수 $\nu_c \propto \gamma^2$로 비례한다.
• 은하형성의 속도 분산 효과를 고려하여 은하 중심과 릿지에서의 최종 상태 방출에 의한 제약 조건을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 질량을 가진 WIMP을 포함하는 다성분 암흑물질 모델이 극적으로 다른 수밀 밀도를 가짐에도 불구하고 자연스럽게 유사한 붕괴율을 갖는가?
• RQ2 특히 약 100 GeV에서의 피크나 골이 나타나는 $e^+ + e^-$ 스펙트럼 특징은 이러한 모델에서 어떻게 발생하는가?
• RQ3 이러한 모델이 저에너지에서 높은 단면적을 요구하는 PAMELA의 양전자 초과와 약 1 테바볼트까지 연장되는 낮은 단면적을 요구하는 페르미 데이터를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ4 특히 플랑크 위성으로 탐지 가능한 동기방출을 통해 마이크로파 안개에서의 관측 가능한 결과는 무엇인가?
• RQ5 은하형성의 속도 분산 변화가 은하 중심과 릿지에서의 최종 상태 방출 제약 조건에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 공통된 경량의 힘 매개입자로 굳어짐을 통해, 수밀 밀도가 수개의 순위로 다를지라도 여러 WIMP 성분 간에 자연스럽게 동일한 붕괴율이 발생한다.
• 더 가벼운 WIMP 상태의 압축된 에너지 방출로 인해 $e^+ + e^-$ 스펙트럼에서 약 100 GeV에서 피크가 나타나며, 이는 PAMELA와 페르미 데이터 간의 긴장을 완화할 수 있다.
• 더 무거운 WIMP의 보정 요소는 약 $B.F. \approx \langle\sigma_{2}|v|\rangle_{\text{Fitted}} / (3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1})$이며, $M_{\chi_2}$에 대한 로그 보정이 존재하여 잔여 밀도 제약 조건과 일관성을 유지한다.
• 암흑물질 붕괴에서 유도된 2차 전자로부터의 동기방출은 약 50 GeV 전자에서 약 300 GHz, 1 테바볼트 전자에서 약 120 THz의 주파수에서 피크를 이룬다. 고에너지 전자로부터의 강한 방출은 플랑크 대역(최대 857 GHz) 내에서 두드러지게 나타난다.
• 더 가벼운 WIMP이 큰 자기상호작용 단면적을 가질 경우 은하형성의 붕괴로 이어져 직접 및 간접 탐측 서명이 근본적으로 변화할 수 있다.
• 은하형성의 속도 분산 변화는 은하 중심과 릿지에서의 최종 상태 방출 제약 조건을 감소시키며, 천체물리적 불확실성 하에서 모델의 타당성을 높인다.