[论文解读] Kaluza-Klein Dark Matter After Fermi

Chuan-Ren Chen, Mihoko M. Nojiri+2 more|ArXiv.org|Aug 31, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文研究了分裂通用额外维度（split-UED）模型中的Kaluza-Klein光子暗物质，表明质量约为900 GeV的Kaluza-Klein光子其遗迹密度与观测到的暗物质丰度一致。该模型同时拟合了PAMELA观测到的正电子过剩，并预测了来自逆康普顿散射和τ子衰变的、高于100 GeV的可探测弥散伽马射线辐射，该预测可通过Fermi-LAT数据检验。

ABSTRACT

Kaluza-Klein photon in universal extra dimension models is one of the most attractive dark matter candidates as a weakly interacting massive particle. Having a characteristic split spectrum in split universal extra dimension the relic density of Kaluza-Klein photon with 900 GeV mass is in good agreement with the observed dark matter amount in our Universe. Interestingly Kaluza-Klein photon in the same mass range also provides excellent fits to the recently observed excesses in cosmic electron and positron fluxes. The amount of gamma-ray contributions, mostly from tau decays, can be significant around 300 GeV, thus can be observed or constrained by the forthcoming Fermi-LAT diffuse gamma-ray data.

研究动机与目标

• 在Fermi-LAT数据发布后，评估Kaluza-Klein光子作为split-UED模型中暗物质候选者的可行性。
• 将观测到的宇宙射线电子和正电子过剩与比先前建议更重的暗物质候选者相协调。
• 评估该模型对高能弥散伽马射线辐射的预测，特别是来自逆康普顿散射和τ子衰变的贡献。
• 在保持Kaluza-Klein宇称的同时，对split-UED框架中轻子的5D体质量施加约束，并与宇宙学和天体物理学数据保持一致。

提出的方法

• 在split-UED中引入轻子的5D体质量项以生成分裂谱，同时保持Kaluza-Klein宇称。
• 应用轨道面条件以投影掉一个手征分量，确保零模标准模型费米子的存在，同时生成具有质量的Kaluza-Klein模式。
• 通过kink质量分布求解5D狄拉克方程，推导出波函数分布和Kaluza-Klein模式谱。
• 利用早期宇宙中的热冻结机制计算Kaluza-Klein光子的遗迹密度，使其与观测到的暗物质密度相匹配。
• 将模型拟合至PAMELA数据中正电子分数过剩以及Fermi-LAT观测到的电子+正电子通量过剩，调整Kaluza-Klein尺度参数。
• 估算来自高能电子的逆康普顿散射和τ轻子衰变产生的弥散伽马射线通量，并评估其被Fermi-LAT探测的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量约为900 GeV的Kaluza-Klein光子能否同时满足观测到的暗物质遗迹密度和宇宙射线电子/正电子过剩？
• RQ2 split-UED中轻子与夸克的分裂费米子谱如何影响该模型与PAMELA和Fermi-LAT数据的一致性？
• RQ3 Kaluza-Klein光子在高能区（>100 GeV）湮灭产生的预期弥散伽马射线通量是多少？是否可被Fermi-LAT探测到？
• RQ4 实验数据对split-UED框架中轻子5D体质量施加了何种约束？
• RQ5 电子-正电子谱中缺乏尖锐峰特征是否支持一个以次级主导方式产生的更重暗物质候选者？

主要发现

• 质量约为900 GeV的Kaluza-Klein光子其遗迹密度与宇宙中观测到的暗物质丰度高度一致。
• 该模型对PAMELA观测到的正电子分数过剩以及Fermi-LAT观测到的更宽泛的电子+正电子通量过剩提供了良好拟合，支持比ATIC/PPB-BETS建议的约620 GeV更重的暗物质候选者。
• 来自逆康普顿散射和τ子衰变的弥散伽马射线通量在约300 GeV处达到峰值，因此可能被Fermi-LAT的弥散伽马射线数据探测或约束。
• 该模型预测在100 GeV以上的高能区存在显著的伽马射线成分，未来Fermi-LAT观测可能探测到或排除该信号。
• 轻子的5D体质量受到观测到的正电子和电子通量一致性的约束，该模型在这些约束范围内仍保持物理可行性。
• 电子-正电子谱中缺乏尖锐特征支持直接$e^+e^-$产生为次级过程的场景，与该模型的预测一致。