[论文解读] A possible link between the GeV excess and the 511 keV emission line in the Galactic Centre

Céline Bœhm, Paolo Gondolo+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了银河系中心的GeV伽马射线过量与511 keV正电子湮灭线是否可能源自30 GeV暗物质湮灭为b夸克对。通过采用包含真实电子密度的更新扩散模型，发现正电子能量损失会抑制低能区的积累，使预测的511 keV辐射通量降至约10⁻⁶ ph/cm²/s，远低于观测到的约10⁻³ ph/cm²/s，因此排除了这两种信号具有共同暗物质起源的可能性。

ABSTRACT

The morphology and characteristics of the so-called GeV gamma-ray excess detected in the Milky Way lead us to speculate about a possible common origin with the 511 keV line mapped by the SPI experiment about ten years ago. In the previous version of our paper, we assumed 30 GeV dark matter particles annihilating into $b \\bar{b}$ and obtained both a morphology and a 511 keV flux (\\phi_{511 keV} ~ 10^{-3} ph/cm^2/s) in agreement with SPI observation. However our estimates assumed a negligible number density of electrons in the bulge which lead to an artificial increase in the flux (mostly due to negligible Coulomb losses in this configuration). Assuming a number density greater than $n_e > 10^{-3} cm^{-3}$, we now obtain a flux of 511 keV photons that is smaller than \\phi_{511 keV} ~ 10^{-6} ph/cm^2/s and is essentially in agreement with the 511 keV flux that one can infer from the total number of positrons injected by dark matter annihilations into $b \\bar{b}$. We thus conclude that -- even if 30 GeV dark matter particles were to exist-- it is impossible to establish a connexion between the two types of signals, even though they are located within the same 10 deg region in the galactic centre.

研究动机与目标

• 检验是否30 GeV暗物质候选者通过湮灭为b̄b可同时解释银河系中心的GeV伽马射线过量与511 keV正电子湮灭线。
• 评估早期假设银晕中库仑损失可忽略时，将两者联系起来的主张的有效性。
• 使用银河系银晕中真实的电子数密度，重新评估511 keV光子通量的预测。
• 确定正电子扩散与能量损失过程是否能调和观测到的511 keV通量与暗物质湮灭为b̄b之间的矛盾。
• 纠正因假设银晕中电子密度为零而引起的低能正电子谱的非物理解增强。

提出的方法

• 使用了正电子从30 GeV暗物质湮灭为b̄b的扩散模型，纳入了通过库仑散射的能量损失。
• 应用了NFW暗物质密度剖面，参数为ρ₀ = 0.36 GeV/cm³，rₛ = 30 kpc，γ = 1.2，以匹配GeV过量。
• 使用截面σv = 3×10⁻²⁶ cm³/s与Majorana暗物质因子η = 1/2，计算了总正电子注入速率。
• 计算得出对于mₘ = 30 GeV与ρ₀ = 0.36 GeV/cm³，每秒注入的正电子数dNₑ⁺/dt ≈ 1.8×10⁴⁰ s⁻¹。
• 使用Delahaye等人（2008）与Lacroix等人（2014）的三组参数（MIN、MED、MAX），结合B = 3 μG与nₕ = 2 cm⁻³，模拟了扩散后的正电子谱。
• 将所得511 keV光子通量与观测值~10⁻³ ph/cm²/s进行比较，通过设定电子密度nₑ > 10⁻³ cm⁻³避免非物理解的低能积累。

实验结果

研究问题

• RQ1 30 GeV暗物质湮灭为b̄b能否同时解释银河系中心的GeV伽马射线过量与511 keV正电子湮灭线？
• RQ2 在银河系银晕中包含非零电子密度后，对暗物质诱导正电子产生的511 keV通量预测有何影响？
• RQ3 为何早期模型在假设库仑损失可忽略（nₑ → 0）时，会在正电子谱中产生尖锐的低能峰？电子密度如何解决这一问题？
• RQ4 在考虑真实能量损失与扩散条件下，30 GeV暗物质湮灭为b̄b所能产生的最大511 keV通量是多少？
• RQ5 观测到的511 keV通量~10⁻³ ph/cm²/s是否与暗物质湮灭的总正电子注入速率一致？

主要发现

• 当电子密度nₑ > 10⁻³ cm⁻³时，30 GeV暗物质湮灭为b̄b预测的511 keV光子通量约为10⁻⁶ ph/cm²/s，远低于观测值~10⁻³ ph/cm²/s。
• 早期假设库仑损失可忽略（nₑ → 0）的模型在低能正电子谱中产生非物理的尖峰，导致通量人工增强约1000倍。
• 正电子注入速率估计为~1.8×10⁴⁰ s⁻¹（σv = 3×10⁻²⁶ cm³/s，mₘ = 30 GeV），该速率不足以产生观测到的511 keV通量。
• 在真实电子密度下，正电子能量损失可防止低能区的积累，从而消除了扩散谱中非物理的尖锐特征。
• 该模型得出结论：30 GeV暗物质湮灭为b̄b无法共同解释GeV过量与511 keV线。
• 通量差异达1000倍，意味着511 keV信号不可能源自此类暗物质候选者，除非引入额外源或机制。