[论文解读] Ruling Out Spiky WIMP Dark Matter using Indirect Searches

Dibya S. Chattopadhyay, P. S. Bhupal Dev+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2026

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 0

一句话总结

该论文将 GC 伽马射线与中微子线搜索重述以约束 Sgr A* 周围的 Gondolo-Silk 暗物质尖峰，排除热-WIMP 在广泛质量范围内的尖峰斜率 γ_sp 在 2.25–2.5 的存在，并提供互补的中微子界限。

ABSTRACT

The dark matter (DM) density profile in the innermost region of the Galaxy remains an open question. In particular, while adiabatic growth of the supermassive black hole Sgr A$^\ast$ at the Galactic Center (GC) can induce a 'spike' in central DM density, the existence of such a spike is still under debate. Here we present new constraints on the spike slope $γ_{ m sp}$ using conventional DM indirect detection searches. We first recast existing photon and neutrino line searches, which include the contribution from the GC region, into constraints on the thermally-averaged DM annihilation cross section $\langleσv angle$ in the presence of a DM spike. We then derive new bounds on the spike profile for a generic Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) DM scenario, where the thermal freeze-out mechanism fixes the annihilation cross-section at $\langleσv angle\sim (2-3) imes 10^{-26}~{ m cm}^3~{ m s}^{-1}$. We find that for DM annihilation to photons, constraints from Fermi-LAT and MAGIC rule out spike profiles at the GC for a broad range of WIMP DM masses from 10 GeV to 100 TeV. Our result holds even if the photon channel constitutes only $1\%$ of the total annihilation rate. For the neutrino channel, we use the IceCube data to constrain the existence of an extremely steep spike in the $\mathscr{O}(1-10)$ TeV DM mass range. Our analysis can be easily extended to other annihilation channels.

研究动机与目标

• 研究银河中心可能存在的暗物质密度尖峰及其对间接探针信号的影响的动机
• 建立一个框架，将在平滑暗物质晕假设下的现有线搜索约束转化为对尖峰 DM 剖面的界限
• 量化尖峰对 J 因子的修正以及在热残留 Freeze-out 条件下，导出 γ_sp 作为函数的质量相关约束
• 给出伽马射线和中微子通道的结果，以检验 GS 型尖峰在 WIMP DM 的可行性

提出的方法

• 用 Gondolo-Silk 尖峰覆盖的银河中心 DM 密度模型在 NFW 暗物质晕之上，并考虑 DM 污染下的饱和效应
• 使用带尖峰的线视线 J 因子 J(ΔΩ) 将现有 γ 射线和中微子线限制重新表述为尖峰参数约束（方程 2.12）
• 将尖峰增强的 J 因子与标准 NFW 情况通过 ΔJ(ΔΩ) 联系起来，并分析 ρ_sat、R_sat、γ_sp 如何影响信号（方程 2.15）
• 将来自 Fermi-LAT、MAGIC 的 GC γ 射线线限以及 IceCube 的中微子线限转化为热 WIMP 的 γ_sp 约束，⟨σv⟩ 约为 (2–3)×10^-26 cm^3 s^-1
• 评估 ROI（θ_max）和 DM 质量如何影响尖峰灵敏度，强调在陡峭 γ_sp 下内尖峰区域的支配作用

实验结果

研究问题

• RQ1 现有 GC 线搜索能否在 γ 射线和中微子方面对 Sgr A* 周围的 Gondolo-Silk 暗物质尖峰进行约束？
• RQ2 消 annihilation J 因子如何依赖 DM 质量、截获率和尖峰斜率，及其对 γ_sp 推导约束的影响？
• RQ3 在热残留 WIMP 情景下，GC γ 射线线约束在多大程度上排除了 GS 尖峰的 γ_sp？
• RQ4 中微子线搜索在 γ_sp 上的互补界限及在哪些质量范围最相关？

主要发现

• GC γ 射线线搜索（Fermi-LAT、MAGIC）排除了热 WIMP 的 GS 类尖峰在 γ_sp 范围 [2.25, 2.5] 内的存在，质量 χ 介于 10 GeV 至 100 TeV 之间，即使 γγ 仅占总湮灭的 1%
• 来自 IceCube 的中微子线约束提供较弱但互补的界限，限制极陡尖峰在 O(1–10) TeV 质量范围
• 尖峰对陡峭的 γ_sp 大幅提升 J 因子，其影响取决于 mχ 与 ⟨σv⟩ 通过 ρ_sat 与 R_sat，增强信号在较小的 ROI 下最强
• 分析表明 γ_sp 的小幅变化会导致 J 因子和推导出的界限发生巨大变化，在某些区间可强化约束多达数量级（约 ∼10^6）
• 结果暗示在假设的银河中心环境与线通道解释下，GS 尖峰在广泛质量范围内不兼容热产 WIMP DM