[论文解读] Decaying Dark Matter can explain the e excesses

Enrico Nardi, Francesco Sannino+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

该论文提出，PAMELA和ATIC探测到的宇宙射线电子（e±）过剩现象可由质量约为2 TeV的暗物质（DM）粒子衰变来解释，而非其湮灭。该模型假设暗物质是一种具有强子类似不对称性的准稳定复合粒子，自然产生观测到的暗物质剩余丰度，并且与所有光子约束一致，同时可通过HESS对银河系脊的观测进行检验。

ABSTRACT

PAMELA and ATIC recently reported excesses in e cosmic rays. Since the interpretation in terms of DM annihilations was found to be not easily compatible with constraints from photon observations, we consider the DM decay hypothesis and nd that it can explain the e excesses compatibly with all constraints, and can be tested by dedicated HESS observations of the Galactic Ridge. ATIC data indicate a DM mass of about 2 TeV: this mass naturally implies the observed DM abundance relative to ordinary matter if DM is a quasi-stable composite particle with a baryon-like matter asymmetry. Technicolor naturally yields these type of candidates.

研究动机与目标

• 解决报告的宇宙射线电子过剩与伽马射线观测约束之间的矛盾。
• 探讨暗物质衰变（而非湮灭）是否可解释PAMELA和ATIC的电子过剩现象。
• 在衰变暗物质框架下，识别一种自然生成观测到的暗物质剩余密度的机制。
• 提出未来HESS对银河系脊观测的可检验预测。

提出的方法

• 通过建模2 TeV暗物质粒子衰变产生的电子能谱，假设其主要衰变通道为e⁺e⁻对。
• 利用ATIC观测到的电子能谱约束暗物质粒子的衰变宽度和分支比。
• 应用弥漫伽马射线背景观测的约束，以排除衰变过程产生显著光子发射的可能性。
• 在具有强子类似物质不对称性的准稳定复合粒子背景下，评估暗物质的剩余丰度。
• 评估该模型与现有天体物理和宇宙学暗物质约束的兼容性。
• 预测银河系脊区域高能电子和伽马射线的预期通量，以供HESS观测检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质衰变是否可在不违反光子约束的前提下解释PAMELA和ATIC的宇宙射线电子过剩？
• RQ2 为重现观测到的电子能谱，所需暗物质质量是多少？该质量是否与观测到的暗物质剩余密度一致？
• RQ3 粒子物理学中是否存在一种自然机制，可产生具有所需性质的长寿命复合暗物质粒子？
• RQ4 该模型能否通过HESS实验对银河系脊的未来观测进行检验？

主要发现

• 质量约为2 TeV的暗物质粒子可通过衰变为e⁺e⁻对，解释ATIC和PAMELA观测到的电子过剩现象。
• 该模型与所有现有的弥漫伽马射线观测约束一致，而这些约束会排除具有类似谱形的暗物质湮灭模型。
• 若暗物质为具有强子类似物质不对称性的准稳定复合粒子，则2 TeV质量量级可自然产生观测到的暗物质剩余密度。
• 技术色理论为具有所需稳定性和不对称性的此类复合暗物质候选者提供了自然实现。
• 该模型预测在银河系脊区域存在可探测的信号，使其可通过专门的HESS观测进行检验。
• 该衰变假说避免了暗物质湮灭模型所面临的电子与光子数据之间的矛盾。