[论文解读] Constraints on mixed dark matter model of particles and primordial black holes from the Galactic 511 keV line

Rong-Gen Cai, Xing-Yu Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文研究了一种结合粒子与原初黑洞（PBHs）的混合暗物质模型，表明PBHs可通过密度尖峰增强正电子产生，从而对暗物质中PBH的比例施加约束。对于质量为10 GeV–1 TeV的激发态暗物质（XDM），最严格的约束为f_PBH ≲ 10⁻¹¹，出现在与质量相关的转折点处；而轻质暗物质（1–3 MeV）则仍受到较弱的约束。

ABSTRACT

The 511 keV line was first detected in 1970's but its origin is still unknown. It was proposed that positrons from dark matter (DM) particles in the halo of galaxy are possible sources. We consider a mixed DM model consisting of DM particles and primordial black holes (PBHs). With the existence of PBHs, the DM particles may be gravitationally bound to the PBHs and form halo around PBHs with density spikes. These density spikes can enhance the production rate of positrons from DM particles, thus they are constrained by the observations of 511 keV line. We compute the profile of the density spikes, and get the constraints on the fraction of PBHs in DM $f_{\mathrm{PBH}}$ for light dark matter (LDM) scenario and excited dark matter (XDM) scenario respectively. For LDM with mass in the range of $1\mathrm{MeV} \sim 3\mathrm{MeV}$, the constraints are loose. For XDM with mass in the range of $10\mathrm{GeV} \sim 1\mathrm{TeV}$, the constraints have $M_{\mathrm{PBH}}^{-2}$ slope in the relative small mass range, and roughly have $M_{\mathrm{PBH}}^{2/5}$ slope in the relative large mass range. The most stringent constraint $f_{\mathrm{PBH}} \lesssim 10^{-11}$ appears at the turning point which depends on the mass of XDM.

研究动机与目标

• 探讨原初黑洞（PBHs）对银河系晕中暗物质（DM）正电子产生的影响。
• 评估PBHs是否可通过其周围的密度尖峰增强正电子湮灭产生的511 keV线。
• 利用511 keV线数据，推导原初黑洞在暗物质组分中所占比例f_PBH的观测约束。
• 比较不同暗物质情景下的约束结果：轻质DM（1–3 MeV）与激发态DM（10 GeV–1 TeV）。

提出的方法

• 建立PBH周围引力势的模型，以计算星系晕中暗物质粒子的密度分布，从而产生密度尖峰。
• 采用受PBH引起的引力聚焦影响的Navarro-Frenk-White（NFW）型密度剖面，估算PBH附近暗物质密度的增强。
• 计算由暗物质湮灭产生的正电子产生率，并按密度尖峰增强因子进行缩放。
• 应用对511 keV伽马射线线流量的观测限制，以约束暗物质中PBH的比例f_PBH。
• 推导f_PBH约束随PBH质量（M_PBH）的变化关系，涵盖轻质与激发态暗物质两种情景。
• 通过分析M_PBH⁻²与M_PBH²/⁵标度行为之间的过渡，确定约束最严格的PBH质量尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞（PBHs）如何影响星系晕中暗物质粒子的密度分布？
• RQ2 PBHs在多大程度上可通过暗物质湮灭增强正电子产生率？
• RQ3 基于511 keV线，原初黑洞在暗物质组分中的比例f_PBH的观测约束是什么？
• RQ4 在轻质与激发态暗物质情景下，f_PBH的约束如何随PBH质量变化？
• RQ5 在激发态暗物质情景中，f_PBH的约束在何种PBH质量下最为严格？

主要发现

• 对于轻质暗物质（1–3 MeV），f_PBH的约束较弱，原因在于湮灭截面较低且尖峰增强效应有限。
• 对于激发态暗物质（10 GeV–1 TeV），在低质量PBH范围内，f_PBH的约束呈现M_PBH⁻²依赖关系。
• 在高质量PBH范围内，约束遵循M_PBH²/⁵依赖关系，表明标度行为发生了转变。
• 最严格的约束f_PBH ≲ 10⁻¹¹出现在激发态暗物质情景下的质量相关转折点处。
• 转折点质量取决于暗物质粒子质量，较重的XDM粒子会使最优约束对应的PBH质量向更高值移动。
• 结果表明，混合暗物质模型中的PBHs受到511 keV线的强烈约束，尤其在激发态暗物质框架下更为显著。