[論文レビュー] Decaying Dark Matter can explain the e excesses

Enrico Nardi, Francesco Sannino+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、PAMELA や ATIC が観測した宇宙線電子（e±）の過剰現象が、質量約 2 TeV の暗黒物質（DM）粒子の崩壊によって説明可能であると提唱する。これは、その粒子の対消滅ではなく、崩壊によるものである。モデルは、バリオンに類似た非対称性を持つ準安定な複合粒子としてのDMを仮定し、自然に観測されたDMの残存密度を生成する。また、すべてのガンマ線制約と整合的であり、銀河の縁（Galactic Ridge）における HESS 観測によって検証可能である。

ABSTRACT

PAMELA and ATIC recently reported excesses in e cosmic rays. Since the interpretation in terms of DM annihilations was found to be not easily compatible with constraints from photon observations, we consider the DM decay hypothesis and nd that it can explain the e excesses compatibly with all constraints, and can be tested by dedicated HESS observations of the Galactic Ridge. ATIC data indicate a DM mass of about 2 TeV: this mass naturally implies the observed DM abundance relative to ordinary matter if DM is a quasi-stable composite particle with a baryon-like matter asymmetry. Technicolor naturally yields these type of candidates.

研究の動機と目的

• 報告された宇宙線電子の過剰とガンマ線観測からの制約との間の矛盾を解消すること。
• 暗黒物質の崩壊—対消滅ではなく—が、PAMELA や ATIC が観測した電子過剰を説明できるかどうかを検討すること。
• 崩壊するDMの枠組みの中で、観測された暗黒物質の残存密度を自然に生成するメカニズムを同定すること。
• 将来の HESS による銀河の縁の観測に対して、検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• 2 TeV の暗黒物質粒子の崩壊から生じる電子スペクトルをモデル化し、主に e⁺e⁻ ピアへの崩壊モードを仮定する。
• ATIC が観測した電子スペクトルを用いて、DM 確率の崩壊幅および分岐比を制約する。
• 拡散ガンマ線背景観測からの制約を適用し、崩壊過程からの顕著なガンマ線放出を除外する。
• バリオンに類似た物質非対称性を持つ準安定な複合粒子としてのDMの文脈において、DMの残存密度を評価する。
• 既存の天体物理学的および宇宙論的制約と、このモデルの整合性を評価する。
• HESS による銀河の縁における高エネルギー電子およびガンマ線の予想フラックスを予測し、将来的な検証に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線制約を破らない範囲で、暗黒物質の崩壊が PAMELA や ATIC の宇宙線電子過剰を説明できるか？
• RQ2 観測された電子スペクトルを再現するための暗黒物質質量は何か？ また、その質量は観測された暗黒物質の残存密度と整合的か？
• RQ3 素粒子物理学の枠組みの中で、必要な性質（長寿命、複合粒子、非対称性）を持つ安定な暗黒物質粒子を自然に生成するメカニズムは存在するか？
• RQ4 このモデルは、HESS による銀河の縁の将来的な観測によって検証可能か？

主な発見

• 質量約 2 TeV の暗黒物質粒子が、e⁺e⁻ ピアへの崩壊によって、ATIC や PAMELA が観測した電子過剰を説明できる。
• このモデルは、すべての既存する拡散ガンマ線観測からの制約と整合的であり、類似スペクトルを持つDM対消滅モデルが排除されるのを防ぐ。
• DM がバリオンに類似た物質非対称性を持つ準安定な複合粒子であるならば、2 TeV の質量スケールが自然に観測された暗黒物質の残存密度を生成する。
• テクニカラー理論は、必要な安定性と非対称性を持つこのような複合暗黒物質候補を自然に実現する。
• このモデルは、銀河の縁領域に検出可能な信号を予測するため、専用の HESS 観測によって検証可能である。
• 崩壊仮説は、DM 対消滅モデルが抱える電子データとガンマ線データの間の矛盾を回避する。