[论文解读] Dark Matter Signals In Cosmic Rays?

S. Dado, Arnon Dar|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文认为，300–800 GeV 范围内宇宙射线电子的超额（ATIC）以及 10–100 GeV 范围内正电子分数的上升（PAMELA）并不需要暗物质起源。相反，该研究表明这些信号可由超新星喷出物和喷流引起的宇宙射线加速来解释，能量损失及在星际介质中的传播过程塑造了观测到的能谱。EGRET 和 Fermi-LAT 测量的弥散伽马射线背景（GBR）排除了普遍存在的暗物质信号。

ABSTRACT

The flux of the diffuse gamma-ray background radiation (GBR) does not confirm that the excess in the flux of cosmic ray electrons between 300-800 GeV, which was measured locally with the ATIC instrument in balloon flights over Antartica, is universal as expected from dark matter annihilation. Neither does the increase with energy of the fraction of positrons in the cosmic ray flux of electrons in the 10-100 GeV range that was measured by PAMELA imply a dark matter origin: It is consistent with that expected from the sum of the two major sources of Galactic cosmic rays, non relativistic spherical ejecta and highly relativistic jets from supernova explosions.

研究动机与目标

• 检验 ATIC 报告的 300–800 GeV 范围内宇宙射线电子超额是否可由天体物理源解释，而非暗物质湮灭。
• 评估 PAMELA 在 10–100 GeV 范围内测量的正电子分数增加是否与宇宙射线在星际介质中相互作用产生的次级产物一致。
• 评估观测到的弥散伽马射线背景（GBR）能谱是否排除了 ATIC 和 PAMELA 信号的暗物质起源。
• 模拟来自超新星喷出物和喷流的初级与次级电子/正电子注入的综合效应，包括能量损失及在银河系磁场中的传播。
• 证明通过初级注入（βs ≈ 2.2）与次级产生（βs ≈ 2.7）的组合，可在不引入暗物质的情况下重现观测到的正电子分数。

提出的方法

• 采用幂律源谱 dFs/dE ∝ E^−βs，其中 βs ≈ 2.2，适用于非相对论性球形喷出物和相对论性喷流。
• 应用电子能量损失模型：逆康普顿散射与同步辐射，冷却 timescale τcool(E) ≈ 2.85×10^8 y / (E/GeV)。
• 推导出初级电子冷却后的观测电子谱为 dFe/dE ∝ E^−3.2，稳态下次级电子谱为 dFe/dE ∝ E^−3.7。
• 将正电子分数建模为初级（占比约 0.7）与次级（βs ≈ 2.7）成分的组合，使用公式 (6)：(e⁺)/(e⁺+e⁻) ∝ (E^−4.5 + aE^−3.2)/(bE^−3.7 + (a/0.7)E^−3.2)。
• 通过拟合参数 a = 0.19 和 b = 13.1，与 PAMELA 数据高度一致，且无需引入暗物质。
• 将 EGRET 和 Fermi-LAT 的弥散 GBR 能谱与宇宙射线相互作用的预期进行比较，未发现 1 GeV 以上的超额，从而排除了暗物质信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 300–800 GeV 范围内 ATIC 观测到的电子超额是否可由天体物理宇宙射线源解释，而非暗物质湮灭？
• RQ2 10–100 GeV 范围内观测到的正电子分数增加是否与宇宙射线在星际介质中相互作用产生的次级正电子一致？
• RQ3 测量得到的弥散伽马射线背景（GBR）能谱是否排除了 ATIC 和 PAMELA 异常的普遍暗物质起源？
• RQ4 来自超新星喷出物和喷流的初级与次级电子和正电子的联合注入是否可在不引入暗物质的情况下重现 PAMELA 的正电子分数？
• RQ5 能量损失（逆康普顿与同步辐射）在银河系盘面中对观测电子与正电子能谱的形成起何作用？

主要发现

• EGRET 和 Fermi-LAT 测量的弥散伽马射线背景（GBR）在 1 GeV 以上无超额，与早期声称相矛盾，从而排除了暗物质起源的可能。
• ATIC 在 300–800 GeV 的电子超额与普遍暗物质信号不一致，因为此类信号本应在 GBR 中产生可探测的超额，而实际并未观测到。
• PAMELA 测量的 10–100 GeV 范围内正电子分数上升，可通过初级注入（βs ≈ 2.2）与次级产生（βs ≈ 2.7）的组合模型良好拟合，拟合参数为 a = 0.19 和 b = 13.1。
• 观测到的正电子分数与仅由次级产生预期的下降趋势不一致，表明初级源（如超新星喷出物与喷流）占主导。
• 高能电子的冷却 timescale 为 τcool(E) ≈ 2.85×10^8 y / (E/GeV)，导致谱 dFe/dE ∝ E^−3.2，与 HEAT、AMS 和 BETS 的直接测量结果一致。
• EGRET、Fermi-LAT 及切伦科夫望远镜均未探测到任何明亮、稳定或暂现的 GeV 或 TeV 伽马射线源，从而排除了伽马暴等近距源作为 ATIC 超额的解释。