[论文解读] General Upper Bound on the Dark Matter Total Annihilation Cross Section

J. F. Beacom, Nicole F. Bell+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 23

一句话总结

本文通过分析最难探测的末态——宇宙弥漫性中微子，建立了总暗物质湮灭截面的一般上限。通过将暗物质湮灭产生的预测中微子通量与观测到的地球大气中微子背景进行比较，作者得出了一个比相关质量下单位arity界更严格的约束，该约束显著排除了暗物质晕的显著修改，并表明利用现有实验可将该约束提升10至100倍。

ABSTRACT

We consider dark matter annihilation into Standard Model particles and show that the least detectable final states, namely neutrinos, define an upper bound on the total cross section. Calculating the cosmic diffuse neutrino signal, and comparing it to the measured terrestrial atmospheric neutrino background, we derive a strong and general bound. Our bound is much stronger than the unitarity bound at the most interesting masses, shows that dark matter halos cannot be significantly modified by annihilations, and can be improved by a factor of 10--100 with existing neutrino experiments.

研究动机与目标

• 建立一个与具体模型无关的总暗物质湮灭截面的一般上限。
• 通过利用宇宙弥漫性中微子背景，解决通过最难以观测的末态——中微子探测暗物质的挑战。
• 改进现有约束，特别是在间接暗物质搜寻相关质量范围内的约束。
• 评估现有中微子探测技术在未来改进该约束的潜力。

提出的方法

• 对暗物质湮灭至标准模型粒子所产生的宇宙弥漫性中微子背景进行建模。
• 将暗物质湮灭产生的预测中微子通量与实测的地球大气中微子背景进行比较。
• 利用观测到的大气中微子通量作为基准，设定暗物质湮灭截面的上限。
• 在一系列暗物质质量范围内应用此比较，以推导出一般性、模型无关的约束。
• 评估当前及近未来中微子实验对将该约束提升10至100倍的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 从末态为中微子的角度出发，所能推导出的总暗物质湮灭截面最强可能的上限是什么？
• RQ2 在相关暗物质质量范围内，由宇宙弥漫性中微子推导出的约束与单位arity界相比如何？
• RQ3 在推导出的截面限制下，暗物质晕在多大程度上可能因自湮灭而发生显著改变？
• RQ4 现有中微子实验能否将该约束提升10至100倍？若能，需满足何种条件？

主要发现

• 在最相关的暗物质质量范围内，推导出的暗物质湮灭截面上限远强于单位arity界。
• 该约束具有一般性且与模型无关，仅依赖于中微子为最难探测的末态这一事实。
• 由于截面限制极为严格，暗物质晕无法通过自湮灭发生显著改变。
• 利用现有中微子探测实验，该约束可提升10至100倍，为未来约束提供了有希望的路径。