[论文解读] Cosmic Ray Antiprotons from Relic Neutralinos in a Diffusion Model

Fiorenza Donato, N. Fornengo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2003

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文使用基于稳定核素数据校准的两 zone扩散模型，计算了银河系暗晕中遗迹中性子湮灭产生的宇宙射线反质子通量。研究发现，由于天体物理传播参数的不确定性，初级反质子通量存在两个数量级的不确定度，使得即使在对超对称参数空间进行全面扫描并与太阳活动极小期的BESS、CAPRICE和AMS观测数据对比后，仍难以用现有数据约束超对称参数空间。

ABSTRACT

We use the constraints on the diffusion parameters as obtained with stable nuclei to calculate the cosmic antiproton flux from annihilating relic neutralinos. We discuss the relevance of each characteristic parameter, describing our two dimension diffusion model, on the flux of antiprotons produced in the dark halo of our Galaxy. We estimate a two orders of magnitude uncertainty on the flux due to the unknowledge of the propagation parameters. A conservative and systematic evaluation of the flux in the supersymmetric parameter space is done in order to exclude configurations providing a total (secondary plus primary) flux in excess with observations. We also study the effect on the flux induced by modifications in the distribution of cold dark matter in the Galaxy.

研究动机与目标

• 使用物理解释的扩散模型估算银河系晕中遗迹中性子湮灭产生的初级反质子通量。
• 量化天体物理传播不确定性对预测反质子通量的影响。
• 系统评估超对称参数空间，以排除与观测反质子通量不一致的配置。
• 评估暗物质密度分布和晕结构对反质子通量预测的影响。
• 将理论预测与太阳活动极小期BESS、CAPRICE和AMS的观测数据进行比较。

提出的方法

• 使用两 zone扩散模型描述宇宙射线传播，通过硼碳比测量校准扩散参数。
• 应用包含来自中性子湮灭源项的输运方程，结合速度平均截面⟨σv⟩和中性子质量密度ρχ(r,z)。
• 使用蒙特卡洛模拟（Jetset 7.2）计算夸克和胶子强子化产生的反质子微分能谱g(Tp)。
• 利用贝塞尔函数变换和能量依赖的传播参数S_i与A_i，求解地球处（z=0）的反质子通量输运方程。
• 考虑一系列天体物理配置，其中χ²_B/C ≤ 40 和 χ²_B/C ≤ 30，以评估预测通量的不确定度带。
• 将总通量（初级 + 次级）与高空高空气球和卫星任务的观测数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在良好校准的扩散模型下，银河系晕中性子湮灭的预期反质子通量是多少？
• RQ2 预测的反质子通量对宇宙射线传播参数的不确定性有多敏感？
• RQ3 当前反质子观测数据排除了超对称参数空间中的哪些配置？
• RQ4 不同的暗物质密度分布如何影响预测的初级反质子通量？
• RQ5 太阳活动极小期观测到的反质子能谱能否区分次级与初级（中性子诱导）贡献？

主要发现

• 即使在χ²_B/C ≤ 40的约束下，由于传播参数的不确定性，中性子湮灭产生的初级反质子通量仍存在两个数量级的不确定度。
• 对于mχ = 100 GeV 且 ⟨σv⟩ = 2.3×10⁻⁹ GeV⁻²的情况，能量低于1 GeV时，通量不确定度带跨越两个数量级。
• 当χ²_B/C ≤ 30时，通量在能量范围内变化约30倍，表明对传播模型选择极为敏感。
• 即使对超对称参数空间进行了全面扫描，使用中位天体物理参数时，当前数据仍未排除任何超对称配置。
• 来自[3]的次级反质子通量在χ²_B/C ≤ 40条件下位于初级通量的不确定度带内，使得难以分离出初级信号。
• 在所测试的质量中（60、100、300、500 GeV），mχ = 60 GeV的预测通量最高，尽管更高质量在高能区表现出通量上升趋势。