[论文解读] Low Energy INTEGRAL Positrons from eXciting Dark Matter

Rob Morris, Neal Weiner|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 56被引用 5

一句话总结

本文提出，INTEGRAL探测到的511 keV线发射的低能正电子可能源自eXciting Dark Matter（XDM），其中弱相互作用大质量粒子（WIMPs）通过上激发进入激发态，随后衰变为电子-正电子对。通过求解部分波振幅的薛定谔方程并采用N体模拟得到的真实暗物质密度分布，作者发现XDM可自然产生银河系银心区域每秒约$10^{43}$个正电子，尤其在星系晕模型中包含重子物理时更为显著。

ABSTRACT

The origin of the e^+e^- 511 keV line observed by INTEGRAL remains unclear. The rate and morphology of the signal have prompted questions as to whether dark matter could play a role. We explore the case of dark matter upscattering in the framework of eXciting Dark Matter (XDM), where WIMPs χ, interacting through a new dark force, scatter into excited states χ*, which subsequently emit e^+e^- pairs when they de-excite. We numerically compute the cross sections for two Yukawa-coupled DM particles upscattering into excited states, specifically considering variations motivated by recent N-body simulations with additional baryonic physics. We find that that l>0 components of the partial-wave decomposition are often significant contributions to the total cross section and that for reasonable ranges of parameters dark matter can produce the ~10^43 e^+/s observed by INTEGRAL.

研究动机与目标

• 探究eXciting Dark Matter（XDM）是否能解释INTEGRAL在银河系银心区域持续观测到的511 keV正电子线。
• 评估通过WIMP上激发及后续衰变过程，在XDM模型中是否可实现观测到的每秒$10^{43}$个正电子的产生速率。
• 评估天体物理不确定性（尤其是暗物质密度分布和逃逸速度）对预测正电子产生率的影响。
• 通过引入包含重子物理的最新N体模拟并改进非微扰散射过程的处理方式，解决与先前研究之间的差异。

提出的方法

• 在部分波基下求解由Yukawa势介导的两体WIMP散射的薛定谔方程，包含至l=7的部分波。
• 利用热分布和来自Einasto暗物质密度分布的WIMP速度弥散，计算速度平均截面。
• 应用从Aquarius A-1 N体模拟中获得的Einasto参数，分别在有和无重子物理的情况下建模星系晕。
• 采用具有GeV量级媒介子的Yukawa耦合的暗力，介导上激发过程$\chi \to \chi^*$，随后$\chi^* \to \chi e^+e^-$衰变。
• 通过积分WIMP相空间和局域密度中的截面，考虑银心区域的径向依赖性，计算正电子产生率。
• 将结果与先前研究（特别是Chen等，2009年）进行比较，识别出由于逃逸速度假设和轮廓建模差异导致的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 eXciting Dark Matter（XDM）是否能在不违反其他天体物理信号约束的前提下，产生观测到的每秒$10^{43}$个正电子？
• RQ2 部分波贡献（尤其是l > 0）如何影响XDM模型中的总截面和最终正电子产生率？
• RQ3 更新后的暗物质密度轮廓（包括来自N体模拟的重子效应）在多大程度上影响预测的正电子通量？
• RQ4 为何以往估算（如Chen等，2009年）未能匹配观测速率？改进的天体物理输入如何解决这一问题？

主要发现

• 采用1 GeV媒介子、600 GeV WIMPs和1 MeV质量分裂的XDM模型，在使用包含重子物理的Aquarius A-1模拟所得Einasto轮廓时，可产生每秒$10^{42}$–$10^{43}$个正电子的产生率。
• 在晕轮廓中引入重子效应后，预测的正电子产生率相比纯暗物质模拟最多提高一个数量级。
• l > 0部分波分量对总截面有显著贡献，忽略它们将导致速率被低估。
• 先前研究（如~400 km/s）所采用的本地逃逸速度低估了真实值，校正后可使预测速率提高2至10倍。
• 该模型与观测到的银心形态和通量相容，因为WIMP密度的径向依赖性自然产生球对称、类似银心的信号。
• 计算得到的速率$\sim 10^{43}$ e+/s与INTEGRAL观测信号一致，尤其在考虑银盘贡献和重子晕结构时更为显著。