[论文解读] Expectations of the Cosmic Antideuteron Flux

Sujie Lin, Xiao-Jun Bi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究对宇宙反氘核通量进行了全面的不确定性分析，评估了强子相互作用模型（EPOS、QGSJET-II）和传播模型（DC、DR、DR-2、DRC）的影响，其参数由AMS-02的B/C比和$\bar{p}/p$数据约束。研究发现，尽管天体物理背景通量过低，无法被近未来实验探测到，但质量低于100 GeV的暗物质湮灭信号仍可探测，因其在亚GeV能量区间的能谱更平坦、更硬。

ABSTRACT

The cosmic antideuteron is a promising probe for the dark matter annihilation signature. In order to determine the DM signature, the background astrophysical antideuteron flux should be carefully studied. In this work we provide a new calculation of the secondary antideuteron flux, and pay special attention to the uncertainties from hadronic interaction models by using several Monte Carlo generators. The uncertainties from propagation effects are also carefully investigated for both the astrophysical background and DM annihilation signature in several scenarios, which are constrained by the latest B/C ratio measured by AMS-02. Considering these uncertainties, we find that the secondary antideuteron flux is hard to detect in the near future detectors. However, the antideuteron signature from dark matter annihilation will be detectable even considering the constraint from the AMS-02 observation of the $\bar{p}/p$ ratio.

研究动机与目标

• 评估强子相互作用模型不确定性对二次反氘核通量预测的影响。
• 研究传播模型不确定性（扩散、卷吸、再加速）对背景和暗物质反氘核通量的影响。
• 利用最新的AMS-02 $\bar{p}/p$ 比值数据约束暗物质湮灭截面。
• 评估在预期实验灵敏度下，暗物质湮灭产生的反氘核信号是否可探测。
• 确定未来实验是否能区分暗物质信号与天体物理背景。

提出的方法

• 在 pomeron 框架下，使用蒙特卡洛生成器 EPOS 和 QGSJET-II 模拟反质子和反中子的产生。
• 应用结合模型计算由二次反核子形成的反氘核。
• 使用 GALPROP 求解宇宙射线传播方程，采用四种传播模型：DC、DR、DR-2 和 DRC。
• 通过MCMC拟合AMS-02 B/C比值数据约束传播参数。
• 整合最新的AMS-02 $\bar{p}/p$ 比值对暗物质湮灭截面的约束。
• 使用 PYTHIA 模拟暗物质湮灭至 $b\bar{b}$ 最终态，采用 NFW 暗物质密度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 强子相互作用模型（EPOS 与 QGSJET-II）的不确定性如何影响预测的二次反氘核通量？
• RQ2 不同传播模型（DC、DR、DR-2、DRC）在亚GeV能量区段对预测反氘核通量的影响程度如何？
• RQ3 AMS-02 B/C 比值和 $\bar{p}/p$ 比值的约束如何影响暗物质湮灭截面的上限？
• RQ4 尽管存在背景不确定性，未来实验（如AMS-02和GAPS）能否探测到暗物质湮灭产生的反氘核通量？
• RQ5 为何传播晕尺寸 $L$ 对暗物质反氘核通量是主要不确定性因素，而对背景通量的影响较小？

主要发现

• 使用不同强子生成器（EPOS 与 QGSJET-II）预测的二次反氘核通量在数GeV附近差异约2倍。
• 传播模型不确定性导致亚GeV区域通量变化约3至10倍，其中晕尺寸 $L$ 是暗物质信号的主要不确定性来源。
• 即使考虑当前不确定性，天体物理背景反氘核通量仍过低，无法被近未来实验（如AMS-02和GAPS）探测到。
• 质量低于约100 GeV的暗物质湮灭信号在亚GeV能量区段产生更平坦、更硬的能谱，使其更容易与背景区分。
• 即使在AMS-02 $\bar{p}/p$ 比值的严格约束下，$m_{\text{DM}} = 50\,\text{GeV}$、$100\,\text{GeV}$ 和 $1000\,\text{GeV}$ 的暗物质湮灭信号仍可探测，对应的 $\langle\sigma v\rangle$ 限制分别为 $(0.93, 3.10, 8.51)\times 10^{-26}\,\text{cm}^3\text{s}^{-1}$。
• 与背景通量相比，暗物质湮灭产生的反氘核通量对传播参数（如 $D_0$ 和 $L$）更敏感，原因在于暗物质晕中的源分布更广，而背景源则集中于银盘。