[论文解读] Interpretations of the DAMPE electron data

Qiang Yuan, Lei Feng+27 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 44

一句话总结

该论文对DAMPE空间任务测得的高精度电子与正电子能谱进行解读，揭示了约0.9 TeV处的谱软化现象以及约1.4 TeV处的潜在峰。论文提出了两种主要解释：(1) 具有特定磁层与自转特性的中年孤立脉冲星所发出的冷、超相对论性 $e^+e^-$ 风；或 (2) 在附近致密团块或高密度区域（$\lesssim 0.3$ kpc）内的暗物质湮灭，除非湮灭截面被增强，否则需极端的质量或密度增强。

ABSTRACT

The DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), a high energy cosmic ray and $γ$-ray detector in space, has recently reported the new measurement of the total electron plus positron flux between 25 GeV and 4.6 TeV. A spectral softening at $\sim0.9$ TeV and a tentative peak at $\sim1.4$ TeV have been reported. We study the physical implications of the DAMPE data in this work. The presence of the spectral break significantly tightens the constraints on the model parameters to explain the electron/positron excesses. The spectral softening can either be explained by the maximum acceleration limits of electrons by astrophysical sources, or a breakdown of the common assumption of continuous distribution of electron sources at TeV energies in space and time. The tentive peak at $\sim1.4$ TeV implies local sources of electrons/positrons with quasi-monochromatic injection spectrum. We find that the cold, ultra-relativistic $e^+e^-$ winds from pulsars may give rise to such a structure. The pulsar is requird to be middle-aged, relatively slowly-rotated, mildly magnetized, and isolated in a density cavity. The annihilation of DM particles ($m_χ\sim1.5$ TeV) into $e^+e^-$ pairs in a nearby clump or an over-density region may also explain the data. In the DM scenario, the inferred clump mass (or density enhancement) is about $10^7-10^8$ M$_\odot$ (or $17-35$ times of the canonical local density) assuming a thermal production cross section, which is relatively extreme compared with the expectation from numerical simulations. A moderate enhancement of the annihilation cross section via, e.g., the Sommerfeld mechanism or non-thermal production, is thus needed.

研究动机与目标

• 解释DAMPE在高达4.6 TeV能量范围内的新测量电子与正电子能谱，特别是约0.9 TeV处的谱软化与约1.4 TeV处的潜在峰。
• 检验观测特征是否可由天体物理源（尤其是脉冲星）解释，或由附近高密度区域内的暗物质湮灭解释。
• 评估所提模型与宇宙微波背景、伽马射线及反质子观测现有约束的一致性。
• 评估这些模型所预期的电子通量各向异性的特征，并评估其在未来如CTA等仪器下的可探测性。
• 确定为重现DAMPE数据，脉冲星或暗物质亚星系团所需满足的物理参数，特别是在标准或增强的湮灭截面下。

提出的方法

• 使用包含同步辐射与逆康普顿散射能量损失项的扩散-反应方程，模拟银河系内电子与正电子的传播。
• 通过假设在约1.4 TeV处准单能注入，模拟脉冲星通过冷、超相对论性 $e^+e^-$ 风注入的能谱。
• 利用高分辨率N体模拟得到的潮汐剥离NFW剖面，计算来自附近团块或局部高密度区域中暗物质湮灭成 $e^+e^-$ 对的预期电子通量。
• 应用Fermi-LAT伽马射线观测、CMB测量及反质子通量的约束，以限制可行的参数空间。
• 估算由局域源引起的电子通量各向异性的预期值，并与Fermi-LAT测量结果比较。
• 利用Aquarius N体模拟结果，推导太阳邻近区域暗物质亚星系团的密度剖面，包括潮汐剥离效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 DAMPE数据中约0.9 TeV处的谱软化是否可由天体电子源的最大加速极限解释，或是否意味着连续源分布假设的失效？
• RQ2 约1.4 TeV处的潜在峰是否要求电子近乎单能注入？若如此，何种天体物理源可产生此类能谱？
• RQ3 能否通过附近团块或局部高密度区域内的暗物质湮灭成 $e^+e^-$ 对来解释DAMPE数据？所需的质量或密度增强为何？
• RQ4 所推断的脉冲星或暗物质亚星系团参数与宇宙学模拟预期及观测约束相比如何？
• RQ5 脉冲星或暗物质模型所预测的电子通量各向异性是否与当前Fermi-LAT测量一致？未来如CTA等仪器能否区分二者？

主要发现

• 约0.9 TeV处的谱软化表明，传统上假设电子源在空间与时间上连续分布的观念在TeV能量下失效。
• 约1.4 TeV处的潜在峰要求源为年轻、距离地球较近（≤0.3 kpc）且注入电子近乎单能，这与中年、慢速旋转、弱磁化、孤立脉冲星所发出的冷、超相对论性 $e^+e^-$ 风一致。
• 脉冲星模型要求脉冲星位于低密度空腔（如本地泡）中，以避免电子能量过度损失。
• 只有当湮灭截面被增强（如通过索莫菲机制）时，暗物质湮灭成 $e^+e^-$ 对才能解释该峰；若采用标准截面，则需质量为 $10^7$–$10^8$ M⊙ 的团块或局部密度提升17至35倍。
• 所要求的暗物质团块或高密度区域必须位于地球附近约0.3 kpc以内，以避免注入电子显著冷却。
• 这些模型与Fermi-LAT伽马射线及各向异性数据一致，未来CTA观测或可区分脉冲星与暗物质模型。