[論文レビュー] Antiproton and Radio Constraints on the Dark Matter Interpretation of the Fermi Gamma Ray Observations of the Galactic Center

Torsten Bringmann|ArXiv.org|Nov 5, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、フェルミガンマ線過剰放射が銀河中心から発生するものとして、反陽子および電波制約を用いて、そのダークマター（DM）散乱説明との整合性を検証する。PAMELAの反陽子データと強い矛盾を示し、電波観測からの制約はさらに厳しく、28 GeVのDMがbクォークへ散乱するという提案されたモデルは強く否定される。

ABSTRACT

Recently, it was suggested that the gamma rays observed by the Fermi Gamma Ray Space Telescope from the direction of the galactic center could surprisingly well be described by a dark matter annihilation scenario, both in terms of their angular distribution and energy spectrum. Here, I point out that such a scenario would be in considerable tension with existing antiproton data, in particular the new PAMELA measurements. Radio data are even more constraining, thus disfavoring the dark matter hypothesis and making an astrophysical explanation of the observations much more plausible.

研究の動機と目的

• フェルミの銀河中心ガンマ線過剰放射に対する提案されたダークマター散乱モデルの内部整合性を検証すること。
• 特にPAMELAからの測定値と整合するか、そのモデルが既存の反陽子測定と整合するかを評価すること。
• 銀河中心における逆コンプトン散乱およびシンクロtron放射による電波放射が引き起こす制約を評価すること。
• 例えば異なる散乱チャンネルや密度プロファイルといったDMモデルの修正が、これらの制約を回避できるかを検討すること。
• 磁場およびDM密度プロファイルに関する異なる仮定の下で、制約の頑健性を定量化すること。

提案手法

• 28 GeVのDM粒子がbクォークへ散乱する場合、σv ≈ 9×10⁻²⁶ cm³s⁻¹を仮定し、DarkSUSYパッケージを用いて主成分の反陽子フラックスを計算した。
• 宇宙線の拡散モデルを用いた半解析的手法により、BESS、CAPRICE、PAMELAからの観測データと予測された反陽子フラックスを比較した。
• 伝搬パラメータの許容範囲を制限するためにB/C比の制約を適用したが、ハロー基準のDM散乱信号に不確実性を残したままとした。
• DM散乱によって生成される高エネルギー電子・陽電子による逆コンプトン散乱およびシンクロtron放射の電波放射を、0.04 pcから1 pcまでの磁場プロファイルを用いてモデル化した。
• 加速半径 r > R_acc の領域において、L ∝ B² r⁻² の式を用いて電波放射の輝度を評価した。ここで、Bは加速半径内では r⁻⁵/⁴ に比例し、外側では r⁻² に比例する。
• 磁場およびDM密度カットオフに関する仮定の下で、電波制約の感度を評価した。特に、1 pcまで一定の磁場を仮定する極端なケースも含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PAMELAの最新の反陽子データと整合するか、特に28 GeVのダークマターがbクォークへ散乱するモデルは、反陽子データと整合するか？
• RQ2 逆コンプトン散乱およびシンクロtron過程による電波放射制約は、フェルミガンマ線過剰放射がDM信号であるという仮説の妥当性にどのように影響するか？
• RQ3 宇宙線伝搬パラメータの不確実性は、DMモデルに対する反陽子制約にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 DM密度プロファイルや散乱チャンネルの修正によって、反陽子および電波制約との矛盾を緩和できるか？
• RQ5 銀河中心における仮定された磁場配置の変化に対して、電波制約はどの程度頑健か？

主な発見

• Goodenough & HooperのDMモデルが予測する反陽子フラックスは、PAMELAデータを著しく上回っており、特に5 GeV未満のエネルギー領域で顕著な矛盾を示している。
• 伝搬パラメータの最大限の不確実性を許容しても、反陽子制約は依然として提案されたDMモデルと整合しない。
• 電波制約は反陽子制約よりもさらに厳しく、同じDMモデルを高い信頼性で除外する。
• 電波制約は磁場仮定に頑健であり、例えば1 pcまで一定の磁場（μGレベル）を仮定しても依然として強い。
• より小さいDM密度カットオフ（例：r_c ≲ 10⁻² pc）は、電波制約を最大200倍まで強化し、モデルの除外をさらに強化する。
• τ⁺τ⁻を含むいかなる妥当なDM散乱チャンネルでも、反陽子および電波制約を回避しながらフェルミガンマ線スペクトルを再現することはできない。