[论文解读] Searching for Smoking Gun Signatures of Decaying Dark Matter

Joshua T. Ruderman, Tomer Volansky|ArXiv.org|Jul 27, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文提出了一类隐性规范场暗物质模型，其中弱尺度暗物质衰变为轻的暗规范玻色子，后者进一步衰变为轻子，产生具有尖锐TeV量级能谱特征的初级光子和中微子。这些特征与宇宙射线中轻子过剩相关，为衰变暗物质提供了确凿证据，未来几年内Fermi、HESS、IceCube/DeepCore和AGIS等实验有望探测到这些信号。

ABSTRACT

Clear methods to differentiate between decaying and annihilating dark matter (DM) scenarios are still by and large unavailable. In this note, we study the potential astrophysical signatures of a new class of hidden sector decaying DM models, which can address the recent cosmic ray measurements. Such models may produce primary photons and/or neutrinos at large rates, correlated with the leptonic production. The photon and neutrino spectra will then contain sharp features at the TeV scale. We demonstrate the discovery potential for upcoming and future measurements by FERMI, HESS, AGIS and IceCube/DeepCore. We show that these models may be discovered in the near future. Specifically, measurements of diffuse gamma rays by FERMI can detect the start of a hard photon feature. We argue that these hard spectra can be produced by decaying dark matter and be consistent with current constraints, but are difficult to reconcile with models of annihilating DM. Consequently the measurement of a hard spectral feature, in correlation with the current cosmic ray measurements, will strongly favor decaying DM models. Finally we comment on the preliminary results from the Inner Galaxy presented by the FERMI collaboration.

研究动机与目标

• 识别能明确区分衰变与湮灭暗物质场景的天体物理信号。
• 解决尽管轻子过剩相似，但衰变与湮灭信号难以区分的挑战。
• 提出一种自然的衰变暗物质模型，可产生分支比大的初级光子与中微子。
• 利用即将开展及未来的伽马射线与中微子实验，展示这些信号的发现潜力。
• 基于模型预测，解释Fermi内银晕区域的初步数据。

提出的方法

• 构建一个隐性规范场暗物质模型，其中弱尺度暗物质衰变为轻的暗规范玻色子，后者进一步衰变为轻子，通过动力学抑制强子末态。
• 计算由逆康普顿散射（ICS）、末态辐射（FSR）和初级衰变产生的光子与中微子能谱。
• 利用PAMELA、Fermi和HESS的宇宙射线数据拟合模型，以约束暗物质质量与衰变率。
• 估算Fermi、HESS、AGIS和IceCube/DeepCore探测预测的硬能谱特征的灵敏度。
• 将模型预测与Fermi内银晕区域的初步弥漫光子谱数据进行比较，背景建模为3–16 GeV之间的幂律谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子与中微子能谱中是否存在尖锐的TeV量级能谱特征，可作为衰变暗物质的‘确凿信号’？
• RQ2 在当前宇宙射线测量背景下，衰变暗物质的能谱特征与湮灭暗物质场景下的特征有何不同？
• RQ3 观测到的宇宙射线轻子过剩是否可被一个同时产生可探测初级光子与中微子的衰变暗物质模型一致解释？
• RQ4 Fermi、HESS、AGIS和IceCube/DeepCore等未来实验在多大程度上可探测到这些能谱特征？何时可能实现发现？
• RQ5 该模型预测与Fermi内银晕区域弥漫光子谱的初步数据相比如何，特别是在高能尾部？

主要发现

• 对PAMELA、Fermi和HESS数据的最佳拟合模型，其初级光子成分与Fermi内银晕区域弥漫光子过剩一致，但在最高能区略低于观测数据。
• 该模型预测的硬光子谱与仅由逆康普顿散射和末态辐射解释的结果不一致，表明其具有初级起源。
• IceCube/DeepCore在仅一年数据后，即可在最高能区（>1 TeV）以5σ显著性探测到初级中微子成分。
• 初级光子特征的发现潜力在Fermi的弥漫伽马射线测量中最强，其硬能谱特征的出现可能预示着衰变暗物质的存在。
• 该模型与当前约束一致，且处于未来实验的探测灵敏度范围内，表明衰变暗物质可能在不久的将来的实验中被发现。
• 模型与数据之间的张力源于为拟合HESS电子数据所需较高的暗物质质量，以及无法提高衰变率而不与HESS银心区域光子测量结果冲突。