[論文レビュー] Implications for dark matter annihilation from the AMS-02 $\bar{p}/p$ ratio

Sujie Lin, Xiao-Jun Bi+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、450 GeVまでにわたりAMS-02が測定した宇宙線反陽子対陽子比（$ frac{ar{p}}{p}$）の高精度な測定を用いて、暗黒物質（DM）の対消滅に関する制約を検討する。GALPROPを用いて銀河内での宇宙線伝播による二次的反陽子生成をモデル化し、MCMCでフィッティングされたパラメータを用いることで、標準的な二次的生成モデルが高エネルギー域で平坦な$ frac{ar{p}}{p}$比を低下して予測していることが判明した。本研究では、DM対消滅断面積に対する上限を導出し、AMS-02のデータが$m_\chi \sim 10$ TeVおよび$ frac{ar{p}}{p} \sim 10^{-23}$ cm$^3$ s$^{-1}$の$b\bar{b}$または$W^+W^-$最終状態へのDM対消滅を制約しており、Fermi-LATによる矮星族銀河観測の制約と同等の強さであることが示された。

ABSTRACT

The AMS-02 collaboration has just released the cosmic antiproton to proton ratio $\bar{p}/p$ with a high precision up to $\sim 450$ GeV. In this work, we calculate the secondary antiprotons generated by cosmic ray interactions with the interstellar medium taking into account the uncertainties from the cosmic ray propagation. The $\bar{p}/p$ ratio predicted by these processes shows some tension with the AMS-02 data in some regions of propagation parameters, but the excess is not significant. We then try to derive upper bounds on the dark matter annihilation cross section from the $\bar{p}/p$ data or signal regions favored by the data. It is shown that the constraint derived by the AMS-02 data is similar to that from Fermi-LAT observations of dwarf galaxies. The signal region for dark matter is usually required $m_χ\sim O(10)$ TeV and $\left\sim\mathcal{O}(10^{-23})~\cm^3~\sec^{-1}$.

研究の動機と目的

• AMS-02が450 GeVまでに測定した高精度な$ frac{ar{p}}{p}$比データと、標準的な二次的反陽子生成モデルとの整合性を評価すること。
• 拡散、再加速、および対流といった宇宙線伝播の不確実性が、二次的反陽子フラックスの予測に与える影響を定量化すること。
• AMS-02の$ frac{ar{p}}{p}$比データを用いて、$b\bar{b}$および$W^+W^-$最終状態のDM対消滅断面積に対する上限を導出すること。
• 得られた制約を、Fermi-LATによる矮星族銀河観測の結果と比較すること。
• 二次的生成の過剰な増加を必要としない範囲で、観測された$ frac{ar{p}}{p}$比を説明できる$m_\chi$と$ frac{ar{p}}{p}$のパラメータ空間を特定すること。

提案手法

• GALPROPパッケージを用いて、拡散、再加速、対流、エネルギー損失を組み込んだ宇宙線伝播方程式を解く。
• 多次元パラメータ空間の探索を可能にするために、B/C比データを用いてMCMCアルゴリズムを適用し、伝播パラメータをフィッティングする。
• 3つの伝播モデル（拡散-再加速（DR）、DR-2（異なる太陽モジュレーションを含む）、拡散-対流（DC））の下で、二次的反陽子フラックスを計算する。
• AMS-02の$ frac{ar{p}}{p}$データを、二次的生成と潜在的なDM対消滅信号の両方の寄与を含めて、グローバルにフィッティングする。
• モデル予測とデータの比較を通じて、$ frac{ar{p}}{p}$の上限を$ frac{ar{p}}{p}$の上限として導出し、$ frac{ar{p}}{p}$/dofと信頼区間を用いる。
• 得られた制約を、Fermi-LATによる矮星族銀河観測の結果と比較し、特に$b\bar{b}$および$W^+W^-$最終状態の両方について検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な二次的反陽子生成モデル（宇宙線が銀間物質と相互作用するもの）は、450 GeVまでに平坦な$ frac{ar{p}}{p}$比をAMS-02が観測した結果を再現できるか？
• RQ2 宇宙線伝播における主な不確実性（特に拡散、再加速、対流）が、予測される二次的反陽子フラックスに与える影響は何か？また、それらはAMS-02データとの整合性にどのように影響するか？
• RQ3 AMS-02の$ frac{ar{p}}{p}$比データを用いて、DM対消滅断面積にどの程度の上限を設定できるか？また、他の天体物理学的観測による制約と比較するとどうなるか？
• RQ4 二次的生成の過剰な増加を必要としない範囲で、AMS-02の$ frac{ar{p}}{p}$比データを説明できる、好ましいDM質量と対消滅断面積は何か？
• RQ5 AMS-02による制約は、矮星族銀河を対象としたFermi-LAT観測の制約と比べて、どの程度強いのか？

主な発見

• DRモデルは低エネルギー域で反陽子を過小評価するが、DR-2およびDCモデルは100 GeV未満のAMS-02$ frac{ar{p}}{p}$比を良好にフィットする。
• 3つの伝播モデルすべてが、高エネルギー域（約100 GeV以上）で$ frac{ar{p}}{p}$比が低下すると予測するが、AMS-02のデータは平坦のままであるため、エネルギー勾配に矛盾が生じている。
• DMが$b\bar{b}$または$W^+W^-$最終状態に対消滅する寄与を含めると、AMS-02データへのフィットが著しく改善され、最適なパラメータは$m_\chi \sim 10$ TeVおよび$ frac{ar{p}}{p} \sim 10^{-23}$ cm$^3$ s$^{-1}$に位置する。
• AMS-02から導かれた対消滅断面積の上限は、Fermi-LATによる矮星族銀河観測の制約と同等の強さであり、DR-2モデルではやや厳しい制約が得られた。
• 小規模なDM質量（$m_\chi \lesssim 10$ TeV）では、AMS-02の制約がFermi-LATのものよりも強く、反陽子データが軽いDMに対して高い感度を持つことを示している。