[论文解读] AMS-02 Antiprotons from Annihilating or Decaying Dark Matter

Koichi Hamaguchi, Takeo Moroi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文研究了AMS-02探测到的反质子是否可源自湮灭或衰变的暗物质（DM），重点关注TeV尺度的DM候选者。研究发现，质量约为3 TeV的Wino DM以及存在R-奇偶性破坏的gravitino DM，能够解释高能反质子通量，同时满足宇宙学和天体物理约束。

ABSTRACT

Recently the AMS-02 experiment reported an excess of cosmic ray antiprotons over the expected astrophysical background. We interpret the excess as a signal from annihilating or decaying dark matter and find that the observed spectrum is well fitted by adding contributions from the annihilation or decay of dark matter with mass of O(TeV) or larger. Interestingly, Wino dark matter with mass of around 3 TeV, whose thermal relic abundance is consistent with present dark matter abundance, can explain the antiproton excess. We also discuss the implications for the decaying gravitino dark matter with R-parity violation.

研究动机与目标

• 确定AMS-02在高能区（≥100 GeV）观测到的反质子通量过剩是否可由暗物质湮灭或衰变解释。
• 评估在超对称框架与R-奇偶性破坏下，特定TeV尺度暗物质候选者（Wino与gravitino）的可行性。
• 评估这些DM模型是否满足来自宇宙微波背景、原初核合成及伽马射线观测的宇宙学约束。
• 调查所提出的DM情景与现有宇宙射线正电子及伽马射线数据的一致性。

提出的方法

• 使用三维圆柱形扩散方程建模反质子通量，对T ≳ 50 GeV的情况忽略太阳调制效应。
• 采用K(T) = K₀β(p/GeV)^δ形式的扩散系数，参数取自参考文献[9]的MIN、MED和MAX传播模型。
• 通过与星际质子的反质子湮灭项Γ_ann(T) = (n_H + 4^{2/3}n_He)σ_p̄p^ann v(T)包含湮灭过程，其中截面为能量相关，取自参考文献[7,8]。
• 定义DM湮灭（∝ ⟨σv⟩ρ²/m_DM²）与衰变（∝ ρ/m_DMτ_DM）的源项，使用Pythia 6.4的NLO QCD谱。
• 解析求解输运方程，推导出通量Φ̄_p^DM(T) = v(T)/(4π) × G̃(T) × dN̄_p/dT。
• 将χχ → W⁺W⁻与χ → W±ℓ∭的预测反质子谱与AMS-02数据对比，b̄b末态谱用作交叉验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量为O(TeV)的湮灭或衰变暗物质是否能解释能量≥100 GeV时AMS-02观测到的反质子通量过剩？
• RQ2 质量约为3 TeV的Wino暗物质是否与热剩留丰度及AMS-02反质子数据一致？
• RQ3 质量为几TeV且存在R-奇偶性破坏的gravitino暗物质是否能解释AMS-02反质子通量，同时满足宇宙学约束？
• RQ4 宇宙微波背景、原初核合成及伽马射线观测的约束如何影响这些DM模型的可行性？

主要发现

• 质量为2–3 TeV的Wino暗物质可在高能区（≥100 GeV）成功解释AMS-02反质子通量，且与热剩留丰度一致。
• 对于质量≈3 TeV的Wino DM，所需湮灭截面为⟨σv⟩ ≈ 1×10⁻²⁴ cm³s⁻¹，满足普朗克观测给出的CMB约束（⟨σv⟩/m_DM ≲ 4×10⁻²⁸ cm³s⁻¹GeV⁻¹）。
• 质量＞几TeV且存在R-奇偶性破坏的gravitino DM同样可解释AMS-02数据，需满足重加热温度T_R ≲ 10⁹ GeV以获得正确的剩留密度。
• MED与MAX传播模型在费米-LAT弥散伽马射线背景及HESS伽马射线线极限下满足约束，尤其在DM密度呈核心化剖面时表现更优。
• PAMELA与AMS-02的宇宙射线正电子数据未排除Wino或gravitino DM的MED与MAX模型，尽管gravitino衰变至W±e∓时预期在m_3/2/2处出现尖锐的正电子能谱边缘。
• MIN传播模型因所需⟨σv⟩过大而无法满足CMB约束，故被排除在此情景之外。