[论文解读] MiXDM: Cosmic Ray Signals from Multiple States of Dark Matter

Ilias Cholis, Neal Weiner|ArXiv.org|Nov 27, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 133被引用 9

一句话总结

该论文提出了MiXDM模型，一种多组分暗物质模型，其中多个具有不同质量的WIMP状态会湮灭为一种轻量玻色子，从而在数量密度差异极大的情况下仍能自然地实现相等的湮灭速率。该模型在宇宙射线正电子和电子中产生明显的能谱特征，例如在约100 GeV处出现的峰，统一解释了PAMELA、Fermi和INTEGRAL的异常现象，同时缓解了对截面的矛盾要求，并在普朗克卫星可探测的微波辉光中留下可观测的后果。

ABSTRACT

Recent data from cosmic ray experiments such as PAMELA, Fermi, ATIC and PPB-BETS all suggest the need for a new primary source of electrons and positrons at high (>~100 GeV) energies. Many proposals have been put forth to explain these data, usually relying on a single particle to annihilate or decay to produce e+e-. In this paper, we consider models with multiple species of WIMPs with significantly different masses. We show if such dark matter candidates chi_i annihilate into light bosons, they naturally produce equal annihilation rates, even as the available numbers of pairs for annihilation n_chi_i^2 differ by orders of magnitude. We argue that a consequence of these models can be to add additional signal naturally at lower (~100 GeV) versus higher (~ TeV) energies, changing the expected spectrum and even adding bumps at lower energies, which may alleviate some of the tension in the required annihilation rates between PAMELA and Fermi. These spectral changes may yield observable consequences in the microwave Haze signal observed at the upcoming Planck satellite. Such a model can connect to other observable signals such as DAMA and INTEGRAL by having the lighter (heavier) state be a pseudo-Dirac fermion with splitting 100 keV (1 MeV). We show that variations in the halo velocity dispersion can alleviate constraints from final state radiation in the galactic center and galactic ridge. If the lighter WIMP has a large self-interaction cross section, the light-WIMP halo might collapse, dramatically altering expectations for direct and indirect detection signatures.

研究动机与目标

• 解决PAMELA、Fermi、ATIC和PPB-BETS的宇宙射线数据之间存在的张力，这些数据表明存在一种新的高能电子和正电子来源。
• 探讨不同质量的多个暗物质组分是否能自然地在数量密度差异极大的情况下产生相近的湮灭速率。
• 研究此类多组分暗物质模型如何能同时解释PAMELA的正电子过剩、Fermi/HESS在约1 TeV处的硬化现象，以及来自INTEGRAL的511 keV谱线。
• 考察此类模型在银河系内微波辉光中可能产生的可观测信号，特别是通过暗物质湮灭产生的次级电子的同步辐射。
• 评估该模型对直接探测实验的影响，特别是当较轻的WIMP具有较大的自相互作用截面时。

提出的方法

• 该模型假设存在多个WIMP种类（$\chi_i$），它们湮灭为一种轻量且不稳定的玻色子，后者随后衰变为$e^+e^-$，从而避免产生显著的反质子。
• 证明了由于冻结析出至一种共同的轻量规范玻色子，即使$n_{\chi_i}^2$相差数个数量级，各组分的湮灭速率也能自然相等。
• 利用GALPROP模型模拟宇宙射线传播，采用标准扩散参数和5 $\mu$G的局域磁场，银河系中心处峰值达33 $\mu$G。
• 增益因子相对于热退耦的原始密度，采用Einasto剖面，其表达式为$B.F. \approx \langle\sigma_{2}|v|\rangle_{\text{Fitted}} / (3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1})$，适用于$M_{\chi_1} \ll M_{\chi_2}$的情形。
• 利用包含修正贝塞尔函数$K_{5/3}$的发射率公式计算次级电子的同步辐射，其特征频率满足$\nu_c \propto \gamma^2$。
• 模型引入星系晕中速度弥散效应，以降低银河系中心和银道面区域最终态辐射带来的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在数量密度差异极大的情况下，具有不同质量的WIMP的多组分暗物质模型是否能自然地产生相近的湮灭速率？
• RQ2 此类模型中，$e^+ + e^-$谱中的能谱特征（如峰或谷）如何形成，特别是在约100 GeV处？
• RQ3 该模型能否调和PAMELA正电子过剩（要求低能区截面较大）与Fermi数据（要求高能区截面较小，延伸至约1 TeV）之间的矛盾？
• RQ4 该模型在微波辉光中可能产生哪些可观测后果，特别是通过普朗克卫星可探测的同步辐射？
• RQ5 星系晕中速度弥散的变化如何影响银河系中心和银道面区域最终态辐射的约束？

主要发现

• 由于冻结析出至一种共同的轻量规范玻色子，该模型能自然地在多个WIMP组分之间实现相等的湮灭速率，即使其数量密度相差数个数量级。
• 由于较轻WIMP组分的能量压缩沉积，$e^+ + e^-$谱中会出现约100 GeV处的峰，有助于缓解PAMELA与Fermi数据之间的张力。
• 较重WIMP的增益因子约为$B.F. \approx \langle\sigma_{2}|v|\rangle_{\text{Fitted}} / (3 \times 10^{-26} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1})$，并伴随对$M_{\chi_2}$的对数修正，确保与原始密度约束的一致性。
• 由暗物质湮灭产生的次级电子的同步辐射，在50 GeV电子处峰值频率约为300 GHz，在1 TeV电子处峰值频率约为120 THz，高能电子在普朗克波段（最高达857 GHz）产生显著发射。
• 若较轻WIMP具有较大的自相互作用截面，可能导致星系晕坍缩，从而显著改变直接和间接探测的信号特征。
• 星系晕中速度弥散的变化可降低银河系中心和银道面区域最终态辐射的约束，使该模型在天体物理不确定性下更具可行性。