[论文解读] Positrons and antiprotons from inert doublet model dark matter

E. Nezri, Michel H. G. Tytgat+1 more|ArXiv.org|Jan 16, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 95被引用 45

一句话总结

本文研究了惰性双生模型（IDM）中暗物质湮灭产生的正电子与反质子，重点关注三个基准质量：10 GeV、70 GeV 和 10 TeV。研究发现，轻量级暗物质候选者（10 GeV）可产生可探测的正电子与反质子通量，包括显著的反氦-3信号，而较重的候选者（70 GeV 和 10 TeV）在不引入大倍增因子的情况下，难以解释 PAMELA 与 ATIC 的异常信号，而这些倍增因子又受到反质子数据的严格限制。

ABSTRACT

In the framework of the Inert Doublet Model, a very simple extension of the Standard Model, we study the production and propagation of antimatter in cosmic rays coming from annihilation of a scalar dark matter particle. We consider three benchmark candidates, all consistent with the WMAP cosmic abundance and existing direct detection experiments, and confront the predictions of the model with the recent PAMELA, ATIC and HESS data. For a light candidate, M_{DM} = 10 GeV, we argue that the positron and anti-proton fluxes may be large, but still consistent with expected backgrounds, unless there is an enhancement (boost factor) in the local density of dark matter. There is also a substantial anti-deuteron flux which might be observable by future experiments. For a candidate with M_{DM} = 70 GeV, the contribution to positron and anti-proton fluxes is much smaller than the expected backgrounds. Even if a boost factor is invoked to enhance the signals, the candidate is unable to explain the observed positron and anti-proton excesses. Finally, for a heavy candidate, M_{DM} = 10 TeV, it is possible to fit the PAMELA excess (but, unfortunately, not the ATIC one) provided there is a large enhancement, either in the local density of dark matter or through the Sommerfeld effect.

研究动机与目标

• 评估惰性双生模型（IDM）作为宇宙射线正电子与反质子来源的可行性。
• 将 IDM 的预测与近期 PAMELA、ATIC 和 HESS 的宇宙射线反物质数据进行对比。
• 评估暗物质倍增因子与索莫菲效应在增强信号中的作用。
• 探索轻量级 IDM 暗物质候选者产生反氦-3信号的可探测性。
• 确定 IDM 是否可在不违反反质子约束的前提下解释观测到的正电子过剩。

提出的方法

• 本研究采用具有 Z₂ 对称性稳定化的标量暗物质候选者的惰性双生模型（IDM）。
• 计算了 10 GeV、70 GeV 和 10 TeV 暗物质质量下的湮灭截面与末态粒子谱。
• 利用标准宇宙射线输运方程，模拟正电子与反质子在银河系中的传播。
• 利用标准天体物理模型估算宇宙射线相互作用产生的背景通量。
• 引入倍增因子以考虑局部暗物质密度增强或索莫菲增强效应。
• 将模型与 PAMELA 正电子分数、ATIC 电子+正电子过剩以及 HESS 电子能谱数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 IDM 是否可在不过量产生反质子的前提下解释 PAMELA 正电子过剩？
• RQ2 IDM 暗物质对观测到的反质子通量有何贡献，与天体物理背景相比如何？
• RQ3 轻量级 IDM 暗物质候选者（10 GeV）是否可产生可探测的反氦-3通量？
• RQ4 重质量 IDM 候选者（10 TeV）是否能解释 ATIC 异常，需要多大的倍增因子？
• RQ5 索莫菲效应与局部暗物质密度增强如何影响 IDM 解释宇宙射线异常的可行性？

主要发现

• 质量约为 10 GeV 的轻量级 IDM 暗物质候选者可产生显著的正电子与反质子通量，除非存在显著的倍增因子，否则与背景一致。
• 对于 10 GeV 的暗物质候选者，预测的反氦-3通量超过未来实验（如 AMS-02 与 GAPS）的灵敏度阈值。
• 70 GeV 暗物质候选者即使在大倍增因子下，对正电子与反质子通量的贡献也可忽略不计，无法解释观测到的过剩。
• 10 TeV 暗物质候选者仅在大倍增因子下可拟合 PAMELA 异常，但即使在索莫菲增强下，也无法解释 ATIC 异常。
• 反质子通量约束强烈排除 10 TeV 候选者，除非其进入强子态的分支比被抑制。
• IDM 的简洁性限制了其解释 PAMELA 与 ATIC 异常的能力，相较于更专门化的模型，但其为轻量级暗物质的反氦-3探测提供了有希望的信号。