[논문 리뷰] Secondary antiprotons as a Galactic Dark Matter probe

Carmelo Evoli, Daniele Gaggero외 1명|INFM-OAR (INFN Catania)|2015. 04. 20.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 83인용 수 61

한 줄 요약

이 논문은 일관된 PAMELA 데이터와 업데이트된 단면적을 사용하여 우주선 스파라우션에 의한 2차 반프로톤 플럭스를 정밀하게 계산한다. 이는 천체물리학적 불확실성을 제한하기 위한 것이다. 연구 결과, 현재의 반프로톤 데이터는 은하중심 감마선 과잉의 어두운 물질 기원을 배제하지 못하며, AMS-02의 초진 데이터는 고에너지에서의 반프로톤 대 프로톤 비율에 명백한 이질성이 없는 기준 모델에 잘 맞는다.

ABSTRACT

We present a novel determination of the astrophysical uncertainties associated to the secondary antiproton flux originating from cosmic-ray spallation on the interstellar gas. We select a set of propagation models compatible with the recent B/C data from PAMELA, and find those providing minimal and maximal antiproton fluxes in different energy ranges. We use this result to determine the most conservative bounds on relevant Dark Matter (DM) annihilation channels: We find that the recent claim of a DM interpretation of a gamma-ray excess in the Galactic Center region cannot be ruled out by current antiproton data. Finally, we discuss the impact of the recently released preliminary data from AMS-02. In particular, we provide a reference model compatible with proton, helium and B/C spectra from this experiment. Remarkably, the main propagation parameters of this model are in agreement with the best fit presented in our earlier statistical analyses. We also show that the antiproton-to-proton ratio does not exhibit any significant anomaly at high energy with respect to our predictions.

연구 동기 및 목표

• PAMELA 실험에서 동시에 취득한 일관된 측정값을 사용하여 2차 반프로톤 플럭스 예측의 체계적 불확실성을 줄이기 위해.
• 확산 파rameter, 핵반응 단면적, 태양 조절이 반프로톤 스펙트럼에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 데이터에 가장 적합한 최소 2차 반프로톤 플럭스를 기반으로 어두운 물질 결합 채널에 대한 보수적인 경계를 제공하기 위해.
• AMS-02의 초진 데이터(프로톤, 헬륨, B/C 스펙트럼)와 새로운 기준 모델의 일치성을 테스트하기 위해.
• 고에너지에서 반프로톤 대 프로톤 비율이 어두운 물질 탐색에 관련된 이상 징후를 보이는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 우주선의 확산-대류 운반 방정식을 변수 헬로 높이(2–16 kpc)를 가진 실린더형 은하 모델에서 풀기 위해 DRAGON 코드를 사용한다.
• 태양 조절 불확실성을 줄이기 위해 동일한 데이터 수집 기간 동안의 일관된 PAMELA 측정값(B/C, 프로톤, 헬륨, 탄소)을 적용한다.
• NA49 데이터를 통해 업데이트된 반프로톤 생성 및 비탄성 산란 단면적을 [14]의 모델을 통해 포함하며, 관련 불확실성도 포함한다.
• 전하 의존 태양 조절을 모델링하기 위해 Helioprop 코드를 사용하며, 기호 의존 이동도를 포함한다.
• B/C 데이터와 일치하는 확산 모델에 대해 파라미터 스캔을 수행하여 에너지 별로 최소 및 최대 2차 반프로톤 플럭스를 식별한다.
• 프로톤, 헬륨, B/C 스펙트럼의 AMS-02 초진 데이터에 최적으로 맞추기 위해, 주입 스펙트럼과 하드닝 파라미터를 조정하는 기준 모델을 튜닝한다.

Figure 1 : The good models as discussed in section 3.1 in the $\delta-D_{0}$ (left) and $v_{A}-\eta$ (right) planes. Blue points correspond to models compatible with the PAMELA B/C ratio. Green points show the good models obtained using the PAMELA primary proton in addition.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확산 및 단면적 불확실성 고려 시, PAMELA B/C, 프로톤, 헬륨 데이터와 일치하는 2차 반프로톤 플럭스의 범위는 무엇인가?
• RQ2 확산 파rameter의 불확실성과 핵반응 단면적의 불확실성이 2차 반프로톤 플럭스 결정에 비해 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 최근 은하중심 감마선 과잉에 대해 어두운 물질 기원이 제기된 바가 있는데, 현재의 반프로톤 데이터로는 이를 배제할 수 있는가?
• RQ4 고에너지 영역(100 GeV 이상)에서 예측된 것과 비교해 반프로톤 대 프로톤 비율에 명백한 이질성이 있는가?
• RQ5 AMS-02 초진 데이터에 맞추어 튜닝된 모델이 반프로톤 스펙트럼을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 2차 반프로톤 플럭스는 확산 계수 정규화와의 디제너러시로 인해 은하 헬로 높이에 거의 의존하지 않는다.
• 2차 반프로톤 플럭스 결정에 있어 확산 모델 불확실성이 핵반응 단면적 불확실성보다 더 큰 영향을 미친다.
• 데이터에 가장 적합한 최소 2차 반프로톤 플럭스를 배경으로 보수적으로 취급할 경우, 은하중심 감마선 과잉이 어두운 물질 기원과 일치할 수 있다.
• AMS-02 데이터의 프로톤, 헬륨, B/C 스펙트럼에 맞추어 튜닝된 기준 모델은 에너지 범위가 3개 이상의 옥타브에 걸쳐 데이터를 잘 재현한다.
• 예측된 반프로톤 대 프로톤 비율은 AMS-02의 초진 데이터와 양호한 일치를 보이며, 고에너지 영역에서 명백한 이질성이 관측되지 않는다.
• 프로톤 주입 스펙트럼에 필요한 하드닝 지수 δ는 PAMELA 이전 및 AMS-02 이전 데이터 기반 이전 통계적 피팅 결과와 일치한다.

Figure 2 : The envelope of the secondary antiproton spectra computed with the different propagation models found to reproduce the B/C and primary spectra.