[论文解读] Possible Interpretations of the High Energy Cosmic Ray Electron Spectrum measured with the Fermi Space Telescope

Dario Grasso, For The Fermi-LAT Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文分析了费米-LAT在20 GeV至1 TeV能量范围内测得的宇宙射线电子和正电子（CRE）能谱，发现其能谱比以往已知的更硬，并在100 GeV以上显示出可能存在额外组分的迹象。本文对比了传统的银河系宇宙射线模型、脉冲星源以及暗物质湮灭/衰变模型，结论认为成熟的脉冲星为帕梅拉正电子过剩和费米数据提供了引人注目的天体物理解释，而质量在400 GeV至2 TeV之间的暗物质模型虽仍可行但不占优势。

ABSTRACT

The Fermi Large Area Telescope has provided the measurement of the high energy (20 GeV to 1 TeV) cosmic ray electrons and positrons spectrum with unprecedented accuracy. This measurement represents a unique probe for studying the origin and diffusive propagation of cosmic rays as well as for looking for possible evidences of Dark Matter. In this contribution we focus mainly on astrophysical sources of cosmic ray electrons and positrons which include the standard primary and secondary diffuse galactic contribution, as well as nearby point-sources which are expected to contribute more significantly to higher energies. In this framework, we discuss possible interpretations of Fermi results in relation with other recent experimental data on energetic electrons and positrons (specifically the most recent ones reported by PAMELA, ATIC, PPB-BETS and H.E.S.S.).

研究动机与目标

• 解释费米-LAT在20 GeV至1 TeV能量范围内测得的高精度宇宙射线电子和正电子（CRE）能谱。
• 解决标准银河系宇宙射线电子模型与帕梅拉正电子分数过剩之间的矛盾。
• 评估附近成熟的脉冲星或暗物质湮灭/衰变是否能解释观测到的CRE能谱和正电子过剩。
• 评估传统模型、脉冲星源和暗物质情景与多仪器数据（帕梅拉、ATIC、H.E.S.S.、费米-LAT）的一致性。

提出的方法

• 使用GALPROP数值代码，通过空间连续的注入源和星际介质中的二次正电子产生，模拟银河系宇宙射线电子（GCRE）传播。
• 采用力场近似处理太阳调制，势能为0.55 GV，以模拟低能修正。
• 通过累加150个成熟脉冲星（d < 3 kpc，T > 5×10⁴ yr）的贡献来建模脉冲星贡献，使用其自旋下降光度和估算的e±对转换效率。
• 通过时间积分自旋下降光度推导出脉冲星的电子和正电子注入能谱。
• 评估具有单色e±、轻子偏好型湮灭（每种带电费子分支比为1/3）以及超重暗物质（多TeV）湮灭成弱规范玻色子的暗物质模型。
• 使用卡方拟合和系统误差传播，将模型预测与费米-LAT、帕梅拉、ATIC、H.E.S.S.以及费米前数据（AMS-01、HEAT）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米-LAT在20 GeV至1 TeV范围内测得的CRE能谱是否偏离简单幂律，提示存在额外组分？
• RQ2 具有连续源分布的传统银河系宇宙射线模型能否在与帕梅拉正电子分数测量一致的前提下，解释费米-LAT数据？
• RQ3 附近成熟的脉冲星在多大程度上能解释观测到的正电子过剩以及70 GeV以上CRE能谱的硬化？
• RQ4 具有轻子末态的暗物质湮灭或衰变模型是否与帕梅拉正电子过剩和费米-LAT CRE能谱均相容？
• RQ5 哪些观测策略（例如各向异性、扩展能量范围、伽马射线脉冲星探测）可区分高能CRE的脉冲星与暗物质起源？

主要发现

• 费米-LAT CRE能谱在约70 GeV处表现出硬化，在约500 GeV以上出现陡降，但当前系统误差下这些特征尚不具统计显著性。
• 采用注入指数γ₀ = 2.42（δ = 0.33）或γ₀ = 2.33（δ = 0.6）的传统GCRE模型对费米-LAT数据拟合良好，卡方值为9.7（自由度为23）。
• 帕梅拉正电子分数过剩无法由传统GCRE模型解释，后者预测的正电子分数低于观测值。
• 包含约150个附近成熟脉冲星（d < 3 kpc，T > 5×10⁴ yr）贡献的双组分模型，成功解释了帕梅拉正电子过剩和费米-LAT CRE能谱。
• 质量在400 GeV至1–2 TeV之间的暗物质模型，特别是纯e±和轻子偏好型模型，与帕梅拉和费米-LAT数据相容，但需在标准热重子湮灭截面基础上提高20–100倍的增强因子。
• 超重暗物质模型（多TeV）因在高能区产生过量的CRE通量，被费米-LAT和H.E.S.S.数据显著排除。