[論文レビュー] Secondary antiprotons as a Galactic Dark Matter probe

Carmelo Evoli, Daniele Gaggero+1 more|INFM-OAR (INFN Catania)|Apr 20, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 83被引用数 61

ひとこと要約

本稿では、一貫性のあるPAMELAデータと更新された断面積を用いて、宇宙線スパリングによる二次的反陽子フラックスの洗練された計算を提示する。この研究では、現在の反陽子データが銀河中心のガンマ線過剰のダークマター起源を排除しないことが判明し、AMS-02の予備データは、高エネルギー領域に顕著な異常を示さない参照モデルによってよく再現されている。

ABSTRACT

We present a novel determination of the astrophysical uncertainties associated to the secondary antiproton flux originating from cosmic-ray spallation on the interstellar gas. We select a set of propagation models compatible with the recent B/C data from PAMELA, and find those providing minimal and maximal antiproton fluxes in different energy ranges. We use this result to determine the most conservative bounds on relevant Dark Matter (DM) annihilation channels: We find that the recent claim of a DM interpretation of a gamma-ray excess in the Galactic Center region cannot be ruled out by current antiproton data. Finally, we discuss the impact of the recently released preliminary data from AMS-02. In particular, we provide a reference model compatible with proton, helium and B/C spectra from this experiment. Remarkably, the main propagation parameters of this model are in agreement with the best fit presented in our earlier statistical analyses. We also show that the antiproton-to-proton ratio does not exhibit any significant anomaly at high energy with respect to our predictions.

研究の動機と目的

• PAMELA実験による一貫性があり、同時に取得された測定データを用いることで、二次的反陽子フラックス予測における系統的不確実性を低減すること。
• 伝搬パラメータ、核反応断面積、太陽モジュレーションの反陽子スペクトルに与える影響を評価すること。
• データと整合する最小の二次的反陽子フラックスを用いて、ダークマター消失チャネルの保守的な上限を提示すること。
• AMS-02の予備データ（陽子、ヘリウム、B/C比）と整合する新しい参照モデルの妥当性を検証すること。
• 高エネルギー領域での反陽子対陽子比に異常が見られるかどうかを評価し、ダークマター探索に影響を与えるかを検討すること。

提案手法

• DRAGONコードを用いて、可変なハロー高さ（2–16 kpc）を持つ円柱型銀河モデルにおける宇宙線の拡散・対流輸送方程式を解く。
• 同じデータ取得期間からの一貫性のあるPAMELA測定値（B/C、陽子、ヘリウム）を用いることで、太陽モジュレーションの不確実性を低減する。
• NA49実験からの更新された反陽子生成および非弾性散乱断面積を、[14]のモデルを介して取り入れ、関連する不確実性を含む。
• Heliopropコードを用いて、電荷依存の太陽モジュレーションをモデル化し、符号依存のドリフトを含む。
• B/Cデータと整合する伝搬モデルのパラメータスキャンを実施し、エネルギーごとの最小および最大の二次的反陽子フラックスを特定する。
• 陽子、ヘリウム、B/CスペクトルのAMS-02予備データに最良に適合するように、参照モデルを調整し、注入スペクトルおよび硬化パラメータを最適化する。

Figure 1 : The good models as discussed in section 3.1 in the $\delta-D_{0}$ (left) and $v_{A}-\eta$ (right) planes. Blue points correspond to models compatible with the PAMELA B/C ratio. Green points show the good models obtained using the PAMELA primary proton in addition.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 伝搬パラメータおよび断面積の不確実性を考慮した場合、PAMELAのB/C、陽子、ヘリウムデータと整合する二次的反陽子フラックスの範囲は何か？
• RQ2 伝搬パラメータの不確実性と核断面積の不確実性のうち、二次的反陽子フラックスの決定に寄与する割合はそれぞれどの程度か？
• RQ3 最近の銀河中心のガンマ線過剰のダークマター起源という主張は、現在の反陽子データによって排除できるか？
• RQ4 100 GeV以上の高エネルギー領域において、反陽子対陽子比に予測とは顕著に異なる異常が見られるか？
• RQ5 AMS-02予備データに合わせて調整されたモデルが、反陽子スペクトルをどの程度よく再現できるか？

主な発見

• 二次的反陽子フラックスは、拡散係数の正規化とデゲネラシーを示すため、銀河ハロー高さにほとんど依存しない。
• 伝搬モデルの不確実性が、核断面積の不確実性よりも、二次的反陽子フラックスの決定において支配的である。
• データと整合する最小の二次的反陽子フラックスを保守的背景として用いることで、銀河中心のガンマ線過剰がダークマター起源である可能性を維持できる。
• AMS-02の陽子、ヘリウム、B/Cスペクトルの予備データを、エネルギーの3桁以上にわたって良好に再現する参照モデルが得られた。
• 予測された反陽子対陽子比は、AMS-02の予備データとよく一致しており、高エネルギー領域に顕著な異常は観測されなかった。
• 陽子注入スペクトルの硬化指数δは、PAMELAおよびAMS-02のデータが登場する以前の統計的フィット結果と整合的である。

Figure 2 : The envelope of the secondary antiproton spectra computed with the different propagation models found to reproduce the B/C and primary spectra.