[论文解读] Estimating QCD uncertainties on antiproton spectra from dark-matter annihilation

Adil Jueid, Jochem Kip+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文使用基于 LEP 和 AMS-02 数据的 Pythia 8 调校部分子喷注和强子化参数，对暗物质湮灭产生的反质子谱中的 QCD 不确定性进行了系统性、模型无关的估计。在高能区域，不确定度最高可达 50%，其中强子化效应在高能区占主导地位，且在低能反质子谱中达到 20%，为未来暗物质搜寻提供了保守的不确定度带。

ABSTRACT

In this talk, we discuss the physics modeling of antiproton spectra arising from dark matter (DM) annihilation or decay in a model-independent manner. The modeling of antiproton spectra contains some intrinsic uncertainties related to QCD parton showers and hadronisation of baryons. We briefly assess the sources of these uncertainties and their impact on antiproton energy spectra for a few selected DM scenarios. The results are provided in tabulated form for future analyses.

研究动机与目标

• 量化暗物质湮灭产生的反质子谱中 QCD 不确定性，重点关注部分子喷注和强子化效应。
• 利用 Professor 优化工具生成的本征调校（eigentunes），提供一种保守的、基于数据的不确定度估计。
• 评估这些不确定度对不同暗物质质量及湮灭通道下反质子谱的影响。
• 为未来暗物质间接探测分析提供可查表的不确定度带，特别适用于 PPPC4DMID、DarkSusy 6 和 MicrOmegas 5。
• 通过考虑此前被忽视的理论不确定度，提升基于反质子的暗物质搜寻的可靠性。

提出的方法

• 基于 Rivet 3.1.3 测量结果，使用 Professor 2.3.3 优化工具对 Pythia 8.244 中的 Lund 强子化函数参数进行重新调校。
• 在 Δχ²/Ndf = 1、4 和 9 分别对应一倍、两倍和三倍标准差水平下执行本征调校变化。
• 利用 LEP Z 点测量中重子和介子谱的约束条件指导参数调校。
• 针对 10 GeV 和 100 GeV 的暗物质质量，生成了 q̄q、gg 和 VV（WW+ZZ）湮灭通道的反质子谱。
• 将 x 变量定义为 x = Ekin / Mχ，以暗物质质量为基准归一化动能，便于谱比较。
• 分别比较部分子喷注（Pythia 8）和强子化（弦模型）的不确定度，不确定度带显示 ±1σ 和 ±2σ 的变化范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD 不确定性（特别是部分子喷注和强子化）对暗物质湮灭产生的反质子谱有何影响？
• RQ2 这些不确定度如何随暗物质质量及湮灭通道（如 q̄q、gg、VV）变化？
• RQ3 基于 LEP 和 AMS-02 数据的本征调校变化在多大程度上提供了理论不确定度的保守估计？
• RQ4 反质子谱中的不确定度与正电子谱在不同能量区域的不确定度相比如何？
• RQ5 反质子谱中的最大不确定度是多少？其主导因素是强子化还是部分子喷注效应？

主要发现

• 在高能区，强子化不确定度占主导，对于 100 GeV 暗物质，反质子谱中最高可达 50%，尤其在尾部区域。
• 对于 100 GeV 暗物质，部分子喷注不确定度在峰区最高达 15%，而强子化不确定度在低能区约为 20%。
• 在 10 GeV 时，QCD 不确定度处于次要地位，谱的大部分区域中，部分子喷注和强子化效应均低于 10%。
• 在 q̄q 湮灭的反质子谱峰区，由于本征调校之间的抵消，在 x ≈ 0.2 处不确定度趋近于零。
• 两倍标准差的本征调校提供了对实验不确定度的平衡且保守的覆盖，未过度超出数据误差范围。
• 本研究提供了公开的、可查表的反质子谱不确定度带，已集成至未来版本的 PPPC4DMID、DarkSusy 6 和 MicrOmegas 5 中。