[论文解读] Implications for dark matter annihilation from the AMS-02 $\bar{p}/p$ ratio

Sujie Lin, Xiao-Jun Bi+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 22

一句话总结

本文利用AMS-02对宇宙射线反质子与质子比（$\bar{p}/p$）在高达450 GeV范围内的精确测量，研究了对暗物质（DM）湮灭的约束。通过使用GALPROP模拟银河系中宇宙射线传播过程，并利用MCMC拟合参数来建模二次反质子产生，研究发现标准二次产生模型在高能区低估了平坦的$\bar{p}/p$比值。研究推导出暗物质湮灭截面的上限，表明AMS-02数据可约束质量约为10 TeV、平均截面为$\langle \sigma v \rangle \sim 10^{-23}$ cm$^3$ s$^{-1}$的暗物质向$b\bar{b}$或$W^+W^-$终态湮灭，其约束强度与费米-LAT对矮星系的观测结果相当。

ABSTRACT

The AMS-02 collaboration has just released the cosmic antiproton to proton ratio $\bar{p}/p$ with a high precision up to $\sim 450$ GeV. In this work, we calculate the secondary antiprotons generated by cosmic ray interactions with the interstellar medium taking into account the uncertainties from the cosmic ray propagation. The $\bar{p}/p$ ratio predicted by these processes shows some tension with the AMS-02 data in some regions of propagation parameters, but the excess is not significant. We then try to derive upper bounds on the dark matter annihilation cross section from the $\bar{p}/p$ data or signal regions favored by the data. It is shown that the constraint derived by the AMS-02 data is similar to that from Fermi-LAT observations of dwarf galaxies. The signal region for dark matter is usually required $m_χ\sim O(10)$ TeV and $\left\sim\mathcal{O}(10^{-23})~\cm^3~\sec^{-1}$.

研究动机与目标

• 评估基于宇宙射线与星际介质相互作用的二次反质子产生模型，是否能与高达450 GeV的高精度AMS-02 $\bar{p}/p$ 比值数据一致。
• 量化宇宙射线传播中的不确定性（尤其是扩散、再加速和对流）对二次反质子通量预测的影响。
• 利用AMS-02 $\bar{p}/p$ 数据推导暗物质湮灭截面的上限，同时考虑$b\bar{b}$和$W^+W^-$终态。
• 将所得约束与费米-LAT对矮椭圆星系的观测结果进行比较。
• 识别在$ m_\chi $ 和 $\langle \sigma v \rangle $ 参数空间中，暗物质湮灭可解释观测到的$\bar{p}/p$ 比值而无需显著超出二次产生水平的区域。

提出的方法

• 使用GALPROP软件包求解包含扩散、再加速、对流和能量损失的宇宙射线传播方程。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）算法，利用B/C比值数据拟合传播参数，以探索高维参数空间。
• 在三种传播模型下计算二次反质子通量：扩散-再加速（DR）、DR-2（采用不同太阳调制参数）和扩散-对流（DC）。
• 对AMS-02 $\bar{p}/p$ 数据进行全局拟合，同时包含二次产生贡献和潜在的暗物质湮灭信号。
• 通过比较模型预测与数据，利用$\chi^2/\mathrm{dof}$和置信水平，推导出暗物质湮灭截面$\langle \sigma v \rangle$的上限。
• 将所得约束与费米-LAT对矮星系观测结果进行比较，特别针对$b\bar{b}$和$W^+W^-$终态。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于宇宙射线与星际介质相互作用的标准二次反质子产生模型，能否重现AMS-02在高达450 GeV范围内观测到的平坦$\bar{p}/p$ 比值？
• RQ2 影响二次反质子通量预测的关键宇宙射线传播不确定性有哪些？它们如何影响与AMS-02数据的一致性？
• RQ3 利用AMS-02 $\bar{p}/p$ 比值，可对暗物质湮灭截面施加何种上限？这些上限与其他天体物理观测结果相比如何？
• RQ4 是否存在一个优选的暗物质质量和湮灭截面，可解释AMS-02 $\bar{p}/p$ 数据，而无需显著超出二次产生水平？
• RQ5 AMS-02的约束强度与费米-LAT对矮椭圆星系的观测结果相比如何？

主要发现

• DR模型在低能区反质子产生不足，而DR-2和DC模型在约100 GeV以下能较好拟合AMS-02 $\bar{p}/p$ 比值。
• 所有三种传播模型在高能区（约100 GeV以上）均预测$\bar{p}/p$ 比值下降，而AMS-02数据保持平坦，表明在能量斜率上存在张力。
• 引入暗物质向$b\bar{b}$或$W^+W^-$终态湮灭显著改善了与AMS-02数据的拟合，最佳拟合参数位于$ m_\chi \sim 10$ TeV 和 $\langle \sigma v \rangle \sim 10^{-23}$ cm$^3$ s$^{-1}$。
• 从AMS-02推导出的湮灭截面上限与费米-LAT对矮星系的观测结果相当，其中DR-2模型给出略为严格的约束。
• 对于较小的暗物质质量（$ m_\chi \lesssim 10$ TeV），AMS-02的约束甚至强于费米-LAT，凸显了反质子数据对轻质暗物质的高敏感性。