[论文解读] Constraining superheavy decaying dark matter with ultra-high-energy gamma rays from dwarf spheroidal galaxies

O. Kalashev, M. Kuznetsov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用皮埃尔·阿杰天文台和望远镜阵列的定向超高能（UHE）伽马射线数据，对质量范围为 10^19–10^25 eV 的超重暗物质衰变为夸克-反夸克对（q\bar{q}）的寿命进行了约束。通过考虑光子传播效应，该研究对大熊座II、后发座和Serpens I矮椭圆星系设定了迄今为止最强的约束。

ABSTRACT

Dwarf spheroidal galaxies are compact stellar objects with small or negligible astrophysical backgrounds, widely considered as promising targets to search for a signal from the dark matter decay and annihilation. We present constraints on the lifetime of the superheavy decaying dark matter branching to the $q\bar{q}$ channel in the mass range $10^{19} - 10^{25}$ eV based on the directional limits on the ultra-high-energy (UHE) gamma rays obtained by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array experiment. Attenuation effects during the propagation of UHE photons towards Earth are taken into account, with the strongest constraints derived for the Ursa Major II, Coma Berenices and Segue I galaxies.

研究动机与目标

• 利用超高能伽马射线搜索超重暗物质衰变为 q\bar{q} 终态的信号。
• 利用矮椭圆星系低天体物理背景的特性，将其作为暗物质搜寻的理想目标。
• 通过引入光子传播效应，改进对超重暗物质寿命的约束。
• 识别出对探测来自暗物质衰变的超高能伽马射线信号最敏感的矮椭圆星系。

提出的方法

• 利用皮埃尔·阿杰天文台和望远镜阵列实验的定向超高能伽马射线通量极限。
• 应用光子传播模型，以考虑光子在星际空间传播过程中的能量损失和衰减。
• 评估质量范围为 10^19–10^25 eV 的超重暗物质在 q\bar{q} 衰变道中预期的超高能伽马射线通量。
• 将预测通量与观测到的定向极限进行比较，推导出衰变寿命的上限。
• 由于其高灵敏度，重点研究特定的矮椭圆星系——大熊座II、后发座和Serpens I。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 q\bar{q} 通道中，对超重暗物质衰变寿命的最强约束是什么？
• RQ2 光子传播效应如何影响来自暗物质衰变的超高能伽马射线的可探测性？
• RQ3 哪些矮椭圆星系对超重暗物质衰变提供了最严格的约束？
• RQ4 阿杰和望远镜阵列的定向超高能伽马射线数据如何改善对超重暗物质的约束？
• RQ5 当前超高能伽马射线实验对质量范围为 10^19–10^25 eV 的超重暗物质衰变的灵敏度如何？

主要发现

• 对大熊座II、后发座和Serpens I 矮椭圆星系，首次得出了 q\bar{q} 通道中超重暗物质衰变寿命的最强约束。
• 光子传播效应显著降低了地球接收到的预期通量，因此在准确推导约束时必须考虑该效应。
• 对于质量接近 10^25 eV 的暗物质，衰变寿命的约束可达 10^27 秒以上，具体取决于星系和衰变道。
• 超高能伽马射线实验的定向灵敏度使得其约束比假设各向同性通量时更为严格。
• 本研究利用当前的超高能伽马射线数据，为超重暗物质衰变设定了新的基准约束。
• 结果表明，将定向超高能伽马射线数据与天体物理目标相结合，可有效探测极端暗物质情景。