[論文レビュー] Low Energy INTEGRAL Positrons from eXciting Dark Matter

Rob Morris, Neal Weiner|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 56被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、INTEGRALの511 keV線による低エネルギー陽電子が、弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）が励起状態にアップスキャッタリングされ、電子・陽電子対に崩壊するeXciting Dark Matter（XDM）から来ている可能性を提案している。部分波振幅のシュレーディンガー方程式の数値解法と、N体シミュレーションから得られた現実的なダークマター密度プロファイルを用いて、著者らはXDMが銀河のバルジで観測された$10^{43}$個の陽電子/秒を自然に生成できることを示した。特に、ハロー・モデルにバリオン物理学を組み込むと顕著な効果が得られる。

ABSTRACT

The origin of the e^+e^- 511 keV line observed by INTEGRAL remains unclear. The rate and morphology of the signal have prompted questions as to whether dark matter could play a role. We explore the case of dark matter upscattering in the framework of eXciting Dark Matter (XDM), where WIMPs χ, interacting through a new dark force, scatter into excited states χ*, which subsequently emit e^+e^- pairs when they de-excite. We numerically compute the cross sections for two Yukawa-coupled DM particles upscattering into excited states, specifically considering variations motivated by recent N-body simulations with additional baryonic physics. We find that that l>0 components of the partial-wave decomposition are often significant contributions to the total cross section and that for reasonable ranges of parameters dark matter can produce the ~10^43 e^+/s observed by INTEGRAL.

研究の動機と目的

• INTEGRALが銀河のバルジで観測した持続的な511 keV陽電子線をeXciting Dark Matter（XDM）が説明可能かどうかを調査すること。
• 観測された$10^{43}$ e+/sの陽電子生成レートが、XDMモデルにおけるWIMPのアップスキャッタリングおよびその後の崩壊によって達成可能かどうかを評価すること。
• 特にダークマター密度プロファイルと脱出速度の不確実性といった天体物理学的要因が予測される陽電子レートに与える影響を評価すること。
• 更新されたN体シミュレーション（バリオン物理学を含む）と非摂動的散乱過程の改善を組み込むことで、先行研究との不一致を解消すること。

提案手法

• ヤクビ型ポテンシャルによって媒介される2体WIMP散乱の部分波基底におけるシュレーディンガー方程式を解き、l=7まで部分波を含めた。
• 熱分布とイエナストダークマター密度プロファイルから得られるWIMP速度分散を用いて、速度平均断面積を計算した。
• アーカイウスA-1 N体シミュレーションから得られたイエナストプロファイルのパラメータを用い、バリオン物理学を含む・含まない両方のハローをモデル化した。
• ゲルマンスケールの中間子を介するヤクビ型結合を用いて、アップスキャッタリング過程$\chi \to \chi^*$と、その後の$\chi^* \to \chi e^+e^-$崩壊を媒介した。
• WIMPの位相空間と局所的密度の積分を用いて陽電子生成レートを計算し、バルジにおける半径依存性を考慮した。
• 特にチェンら（2009年）の先行研究と比較し、脱出速度の仮定とプロファイルモデリングの違いによる不一致を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eXciting Dark Matter（XDM）は、他の天体的信号からの制約に反しない範囲で、銀河のバルジで観測された$10^{43}$個の陽電子/秒を生成可能か？
• RQ2 l > 0の部分波寄与、特にそれらがXDMモデルにおける全断面積と陽電子生成レートに与える影響はいかほどか？
• RQ3 更新されたダークマター密度プロファイル（N体シミュレーションによるバリオン効果を含む）が予測される陽電子フラックスに与える影響はどの程度か？
• RQ4 過去の推定値（例：チェンら 2009年）が観測レートに達しない理由は何か？改善された天体物理学的入力がこの問題をどのように解決するか？

主な発見

• 1 GeVの中間子、600 GeVのWIMPs、1 MeVの質量スプリングを持つXDMモデルでは、バリオン物理学を含むアーカイウスA-1シミュレーションのイエナストプロファイルを用いることで、$10^{42}$–$10^{43}$ e+/sの陽電子生成レートが得られた。
• ハロー・プロファイルにバリオン効果を組み込むと、純粋なダークマター・シミュレーションと比較して予測される陽電子レートが最大10倍に増加した。
• l > 0の部分波成分が全断面積に顕著な寄与を示しており、それらを無視するとレートが低く見積もられてしまう。
• 先行研究で用いられた局所的脱出速度（例：約400 km/s）は真の値を低く見積もっており、これを修正すると予測レートが2〜10倍に増加した。
• WIMP密度の半径依存性のおかげで、モデルは観測されたバルジの形態とフラックスと整合しており、自然に球対称でバルジに似た信号を生成した。
• 計算された$\sim 10^{43}$ e+/sのレートは、ディスク寄与とバリオンハロー構造を考慮した場合、観測されたINTEGRAL信号と整合的である。