[论文解读] Astrophysical background and dark matter implication based on latest AMS-02 data

Hong-Bo Jin, Yue-Liang Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用最新的AMS-02数据，通过GALPROP代码和QGSJET-II-04强子相互作用模型，在扩散-对流-再加速（DCR）传播模型框架下分析宇宙射线正电子和反质子背景。DCR模型无需引入新物理源即可成功重现AMS-02对质子、正电子和反质子的观测数据，并预测暗物质质量在400 GeV至4 TeV之间可解释正电子过量现象。

ABSTRACT

The cosmic ray(CR) positrons and antiprotons are often regarded as the collision products of CR nucleons with the interstellar medium. However this conclusion is challenged by recent experimental data. In this work, we choose the latest AMS-02 data to analyze the astrophysical background of CR positrons and antiprotons with the GALPROP code for CR propagation and the QGSJET-II-04 model for the hadronic interactions. The results show that in low energies the predicted fluxes of CR antiprotons and positrons are consistent with AMS-02 data in the diffusion model combining the re-acceleration and convection terms (DCR model). Thus, the excess of CR antiprotons in the low energy are not justified. In that model, the predicted flux of CR protons is consistent with AMS-02 data whose hardening feature above 330 GeV is also matched. Based on that model, the total fluxes of CR electrons and positrons from AMS-02 are also used to analyzed the interpretation of dark matter annihilation about the positron excess. The predicted best-fit masses of dark matter are from 400 GeV to 4 TeV. The DCR model does not give the unusual interpretation of the positron excess.

研究动机与目标

• 确定AMS-02数据中观测到的宇宙射线正电子和反质子过量是否需要超出标准天体物理背景的新物理机制。
• 检验DCR（扩散-对流-再加速）模型与高精度AMS-02数据在质子、反质子、正电子及B/C比方面的自洽性。
• 通过将预测的二级背景与AMS-02测量结果比较，评估暗物质湮灭的物理含义。
• 在传播模型约束下，解决不同宇宙射线数据集（如Be10/Be9、反质子、正电子）之间的张力问题。

提出的方法

• 使用GALPROP代码模拟银河系内宇宙射线传播，包含扩散、对流和再加速效应。
• 采用QGSJET-II-04模型计算导致二级反质子和正电子产生的强子相互作用。
• 利用AMS-02对质子通量和B/C比的测量数据约束传播参数（如扩散系数、晕高、阿尔文速度）。
• 通过独立数据集对模型进行检验：AMS-02的正电子通量、反质子通量以及ACE的Be10/Be9比值。
• 通过MINUIT进行参数优化，将总电子和正电子通量拟合至AMS-02数据，评估暗物质湮灭的贡献。
• 推导出对暗物质湮灭截面的约束，并与矮椭圆星系的Fermi-LAT伽马射线数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含对流和再加速项的DCR模型下，是否足以在不引入暗物质的情况下解释AMS-02观测到的宇宙射线正电子和反质子通量？
• RQ2 若使用总电子和正电子通量拟合AMS-02数据，对暗物质质量及湮灭末态有何影响？
• RQ3 为何在DCR模型中引入ACE的Be10/Be9数据会导致与反质子和正电子数据之间的张力？
• RQ4 预测的暗物质湮灭截面与从Fermi-LAT对矮椭圆星系伽马射线观测中推导出的截面相比如何？
• RQ5 在DCR框架下，能否一致地解释质子能谱在330 GeV以上的硬化特征？

主要发现

• DCR模型在无需引入任何新物理源（包括330 GeV以上的硬化特征）的情况下，成功重现了AMS-02对宇宙射线质子、正电子和反质子的观测数据。
• DCR模型预测的宇宙射线正电子通量与AMS-02数据一致，表明所谓的“正电子过量”无需依赖新天体物理源即可解释。
• 为解释正电子过量而拟合的最佳暗物质质量范围为400 GeV至4 TeV，其中Z玻色子末态提供最佳拟合。
• 为解释正电子过量所需的湮灭截面显著高于从Fermi-LAT伽马射线数据推断的值，暗示解释上存在张力。
• DCR模型仅在排除反质子和正电子数据参与拟合时，才能预测与ACE数据一致的Be10/Be9比值，表明这些数据集之间存在张力。
• 模型表明，高能区反质子数据的微弱过量对暗物质解释的约束不强，且反质子通道的最佳拟合暗物质质量在300 GeV至700 GeV之间。