[論文レビュー] Indirect Searches For Dark Matter: Signals, Hints and Otherwise

Dan Hooper|ArXiv.org|Oct 10, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、反粒子過剰（HEAT）、511 keV線（INTEGRAL）、天の川および銀河間の広がりγ線（EGRET）、およびWMAPのハース（WMAP Haze）の5つの天体物理学的信号をレビューし、それらがダークマターの消失によって生じる可能性を主張している。特に、WMAPのハースは、標準的でない天体物理学的・素粒子物理学的仮定を一切必要とせず、常識的な電弱スケールのWIMPが熱的残滓断面積を介して消失する場合と最も整合的である。

ABSTRACT

For the SUSY 2007 conference, I was asked to review the topic of indirect searches for dark matter. As part of that talk, I summarized several observations which have been interpreted as the product of dark matter annihilations. In my contribution to the proceedings, I have decided to focus on this aspect of my talk. In particular, I will discuss the cosmic positron spectrum measured by HEAT, the 511 keV emission from the Galactic Bulge measured by INTEGRAL, the diffuse galactic and extragalactic gamma ray spectra measured by EGRET, and the microwave excess from the Galactic Center observed by WMAP.

研究の動機と目的

• 5つの天体物理学的信号がダークマター消失の産物として成立するかを評価すること。
• 各信号がWIMP消失によって生じるための必要な素粒子物理学的および天体物理学的条件を評価すること。
• どの信号が標準的熱的残滓WIMPと最小限の天体物理学的仮定と最も整合的であるかを特定すること。
• どの信号が、大きなブースト因子や特異なダークマターマスといった非標準的物理学を要するかを同定すること。
• PAMELA、GLAST、Planckの今後のデータと照らし合わせて、理論的要請を比較することで、将来の実験的期待値を導くこと。

提案手法

• HEATおよびAMS-01の宇宙線反粒子スペクトルを分析し、観測された過剰と標準的宇宙線伝搬予測を比較する。
• INTEGRALの511 keVガンマ線線を評価し、その形態と強度が天体物理学的反粒子源と整合するかを検討する。
• EGRETが観測した天の川および銀河間の広がりガンマ線スペクトルを、WIMP消失による予測と比較し、ハロー密度プロファイルと拡 散モデルを組み込む。
• WMAPのハースを、WIMP消失によって生成される電子・陽電子対からのシンクロtron放射としてモデル化し、角度分布とスペクトルの一貫性を検証する。
• 観測信号がブースト因子を必要とせずに説明可能かどうかを評価する基準として、熱的残滓断面積（3×10⁻²⁶ cm³/s）を用いる。
• s波およびp波の素粒子物理学的断面積と、密度が尖っている（cusped）かコアのある（cored）ハロー密度プロファイルを用いて、信号が標準的WIMPシナリオと整合するかをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HEATの反粒子過剰は、大きなブースト因子や非熱的生成機構を必要とせずにWIMP消失によって説明可能か？
• RQ2 INTEGRALが観測した銀河中心部の511 keV線は、MeVスケールのダークマター粒子の消失によって生じるのか？また、どのようなハロー密度プロファイルが必要か？
• RQ3 EGRETが観測した天の川および銀河間のガンマ線過剰は、アンチプロトン制約に反しない範囲でWIMP消失によって説明可能か？
• RQ4 WMAPのハースは、特異な素粒子物理学的要因や天体物理学的強化を必要としているのか、それとも標準的熱的残滓WIMPと整合的か？
• RQ5 5つの信号の中で、理論的微調整を最小限に抑え、ダークマター消失を強く支持する信号はどれか？

主な発見

• WMAPのハースは、標準的電弱スケールのWIMPと最も整合的であり、ブースト因子や特異な天体物理学的要因を一切必要としない。
• HEATの反粒子過剰は、非熱的生成メカニズム、または少なくとも50以上のブースト因子を必要とし、近隣にダークマターの高密度領域がない限り、それは不自然である。
• INTEGRALの511 keV線は、MeVスケールのダークマター粒子とやや尖ったハロー密度プロファイル（mildly cusped）を必要とし、従来のWIMPモデルに挑戦する。
• 天の川の広がりガンマ線過剰は、非標準的なダークマター分布（例：2つの質量の大きなリング）と、アンチプロトン過剰生産を避けるための修正された拡散モデルを必要とする。
• 銀河間ガンマ線過剰は、ほとんどの銀河で非常に高い消失率を示唆するが、天の川銀河ではそうではないため、地球の位置がわずかに例外的である可能性を示唆する。
• WMAPのハース信号は、熱的残滓断面積（3×10⁻²⁶ cm³/s）と尖ったハロー密度プロファイルと整合的であり、追加の強化要因は不要である。