[论文解读] First Analysis of Jupiter in Gamma Rays and a New Search for Dark Matter

Rebecca K. Leane, Tim Linden|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文首次针对木星开展费米- LAT 在伽马射线波段的专用分析，未发现显著辐射，对通量的上限设定为约 10⁻⁹ GeV cm⁻² s⁻¹。研究提出一种针对亚吉电子伏特暗物质的新搜索方法，通过其湮灭产生长寿命媒介子并在木星外部衰变，实现对暗物质-质子散射截面的探测灵敏度低至 10⁻⁴⁰ cm²——相较于某些模型下的直接探测，灵敏度提升多达十个数量级。

ABSTRACT

We present the first dedicated $γ$-ray analysis of Jupiter, using 12 years of data from the Fermi Telescope. We find no robust evidence of $γ$-ray emission, and set upper limits of $\sim10^{-9}~$GeV cm$^{-2}\,$s$^{-1}$ on the Jovian $γ$-ray flux. We point out that Jupiter is an advantageous dark matter (DM) target due to its large surface area (compared to other solar system planets), and cool core temperature (compared to the Sun). These properties allow Jupiter to both capture and retain lighter DM, providing a complementary probe of sub-GeV DM. We therefore identify and perform a new search for DM-sourced $γ$-rays in Jupiter, where DM annihilates to long-lived particles, which can escape the Jovian surface and decay into $γ$-rays. We consequently constrain DM-proton scattering cross-sections as low as about $10^{-40}~$cm$^2$, showing Jupiter is up to ten orders of magnitude more sensitive than direct detection. This sensitivity is reached under the assumption that the mediator decay length is sufficient to escape Jupiter, and the equilibrium between DM capture and annihilation; sensitivities can be lower depending on the DM model. Our work motivates follow-up studies with upcoming MeV telescopes such as AMEGO and e-ASTROGAM.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT 的 12 年数据，对木星进行首次专用伽马射线分析。
• 研究木星作为目标，通过暗物质湮灭为长寿命粒子并在行星外部衰变，探测亚吉电子伏特暗物质的可能性。
• 利用木星巨大的尺寸和低温核心，约束亚吉电子伏特质量范围内的暗物质-质子散射截面。
• 证明在特定模型下，木星对暗物质的探测灵敏度优于直接探测实验。
• 激励未来利用 AMEGO 和 e-ASTROGAM 等下一代 MeV 波段望远镜开展相关探测。

提出的方法

• 基于木星距离超过 45° 时的 45° 区域兴趣区内的伽马射线通量测量，构建了数据驱动的背景模型。
• 根据光子与木星位置的角偏离度，将其分配至 '木星坐标'，以优化源定位。
• 针对具有高自行运动的太阳系天体优化分析，考虑低能区（如 10 MeV）的展宽点扩散函数。
• 为暗物质湮灭产生长寿命媒介子并逃逸木星后衰变为伽马射线，开发了新型信号模型。
• 在暗物质捕获与湮灭处于平衡状态、且媒介子衰变长度足够长以逃逸的假设下，计算了灵敏度。
• 通过比较观测通量与不同暗物质质量及媒介子寿命下的预测信号，推导出限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 木星是否能通过宇宙射线相互作用或暗物质湮灭产生可探测的伽马射线辐射？
• RQ2 木星是否是通过长寿命媒介子在行星外部衰变探测亚吉电子伏特暗物质的可行目标？
• RQ3 对于低质量暗物质，基于木星的伽马射线探测灵敏度与直接探测实验相比如何？
• RQ4 通过这种新型木星伽马射线分析，对暗物质-质子散射截面的约束是什么？
• RQ5 在何种参数空间内，木星在暗物质探测方面优于太阳或地球等其他天体？

主要发现

• 未探测到木星的可靠伽马射线辐射，由此对木星伽马射线通量的上限设定为约 10⁻⁹ GeV cm⁻² s⁻¹。
• 本分析对亚吉电子伏特暗物质的暗物质-质子散射截面设定了低至约 10⁻⁴⁰ cm² 的约束，显著优于直接探测的限制。
• 木星巨大的表面积和低温核心使其在捕获和保留轻质暗物质方面独具优势，尤其优于太阳。
• 在长寿命媒介子情景下，本研究的灵敏度相比以往对太阳和棕矮星的约束，最高可提升十个数量级。
• 该方法在亚吉电子伏特暗物质质量范围内最为敏感，即使对于电子、μ子或强子末态产生的较软伽马射线谱，仍保持有效性。
• 未来如 AMEGO 和 e-ASTROGAM 等 MeV 波段望远镜有望在低能伽马射线领域提供更强的约束。