[논문 리뷰] Positrons and antiprotons from inert doublet model dark matter

E. Nezri, Michel H. G. Tytgat외 1명|ArXiv.org|2009. 01. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 95인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 관성 이중체 모형(IDM)에서 다크 머터니티의 쌍대반응으로부터 양전자와 반프로톤 생성을 조사하며, 세 가지 벤치마크 질량(10 GeV, 70 GeV, 10 TeV)을 중심으로 분석한다. 경량 다크 머터니티 후보(10 GeV)는 검출 가능한 정도의 양전자 및 반프로톤 유량을 생성할 수 있으며, 상당한 반두테론 신호도 포함된다. 반면 무거운 후보(70 GeV 및 10 TeV)는 큰 부스팅 요인을 요구하지만도 PAMELA 및 ATIC 초과를 설명하기 어려우며, 반프로톤 데이터에 의해 제약을 받는다.

ABSTRACT

In the framework of the Inert Doublet Model, a very simple extension of the Standard Model, we study the production and propagation of antimatter in cosmic rays coming from annihilation of a scalar dark matter particle. We consider three benchmark candidates, all consistent with the WMAP cosmic abundance and existing direct detection experiments, and confront the predictions of the model with the recent PAMELA, ATIC and HESS data. For a light candidate, M_{DM} = 10 GeV, we argue that the positron and anti-proton fluxes may be large, but still consistent with expected backgrounds, unless there is an enhancement (boost factor) in the local density of dark matter. There is also a substantial anti-deuteron flux which might be observable by future experiments. For a candidate with M_{DM} = 70 GeV, the contribution to positron and anti-proton fluxes is much smaller than the expected backgrounds. Even if a boost factor is invoked to enhance the signals, the candidate is unable to explain the observed positron and anti-proton excesses. Finally, for a heavy candidate, M_{DM} = 10 TeV, it is possible to fit the PAMELA excess (but, unfortunately, not the ATIC one) provided there is a large enhancement, either in the local density of dark matter or through the Sommerfeld effect.

연구 동기 및 목표

• 관성 이중체 모형(IDM)이 간섭 우주선 양전자 및 반프로톤의 원천이 될 수 있는지 평가하기 위해.
• IDM 예측을 최근 PAMELA, ATIC, HESS 데이터의 간섭 우주선 반물질에 대비하여 검토하기 위해.
• 다크 머터니티 부스팅 요인과 소머펠드 효과가 신호를 증폭시키는 데서 수행하는 역할을 평가하기 위해.
• 경량 IDM 다크 머터니티 후보에서 반두테론의 검출 가능성 탐색하기 위해.
• IDM이 반프로톤 제약을 위반하지 않고 관측된 양전자 초과를 설명할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• Z₂ 대칭에 의해 안정화된 스칼라 다크 머터니티 후보를 가진 관성 이중체 모형(IDM)을 사용한다.
• 10 GeV, 70 GeV, 10 TeV의 다크 머터니티 질량에 대해 쌍대반응 단면적과 최종 상태 입자 스펙트럼을 계산한다.
• 은하수를 통한 양전자 및 반프로톤의 전파를 표준 간섭 우주선 운반 방정식을 사용하여 모델링한다.
• 간섭 우주선 상호작용으로 인한 배경 유량은 표준 천체물리 모델을 사용하여 추정한다.
• 지역적 다크 머터니티 밀도 증가 또는 소머펠드 증폭 효과를 고려하기 위해 부스팅 요인을 도입한다.
• 모델은 PAMELA의 양전자 분율, ATIC의 전자+양전자 초과, HESS 전자 스펙트럼 데이터와 비교하여 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IDM은 반프로톤 과잉을 초래하지 않고 PAMELA의 양전자 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 IDM 다크 머터니티는 관측된 반프로톤 유량에 어떤 기여를 하는가? 천체물리적 배경과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 경량 IDM 다크 머터니티 후보(10 GeV)는 검출 가능한 반두테론 유량을 생성할 수 있는가?
• RQ4 무거운 IDM 후보(10 TeV)는 ATIC 초과를 설명할 수 있는가? 이를 위해 필요한 부스팅 요인은 얼마인가?
• RQ5 소머펠드 효과와 지역적 다크 머터니티 밀도 증가가 IDM이 간섭 우주선 이면을 설명하는 데 있어 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 질량 약 10 GeV인 경량 IDM 다크 머터니티 후보는 배경과 일치하는 큰 양전자 및 반프로톤 유량을 생성하지만, 상당한 부스팅 요인이 존재하지 않는 한 그렇지 않다.
• 10 GeV의 다크 머터니티 후보의 경우 예측된 반두테론 유량은 향후 AMS-02 및 GAPS 실험의 감도 한계를 초과한다.
• 70 GeV의 다크 머터니티 후보는 큰 부스팅 요인이 있더라도 양전자 및 반프로톤 유량에 미미한 기여를 하며, 관측된 초과를 설명할 수 없다.
• 10 TeV의 다크 머터니티 후보는 큰 부스팅 요인이 있어야만 PAMELA 초과를 맞출 수 있지만, 소머펠드 증폭이 있더라도 ATIC 초과를 설명하지 못한다.
• 반프로톤 유량 제약은 브랜치 비율이 쿼크나 레프톤에 비해 양성자로 향하는 비율이 낮아야만 10 TeV 후보가 타당해지도록 강력히 제약을 둔다.
• IDM의 단순성은 PAMELA 및 ATIC 이면을 설명하는 데 있어 더 특화된 모형에 비해 능력이 제한되어 있지만, 경량 DM에서 반두테론 검출 신호를 제공하는 데 있어 유망한 가능성을 지닌다.