[论文解读] Secondary antiprotons as a Galactic Dark Matter probe

Carmelo Evoli, Daniele Gaggero+1 more|INFM-OAR (INFN Catania)|Apr 20, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 83被引用 61

一句话总结

本文使用一致的 PAMELA 数据和更新的截面参数，对宇宙射线散裂产生的次级反质子通量进行了精细化计算，以约束天体物理不确定性。研究发现，当前的反质子数据并未排除银河系中心伽马射线过量起源于暗物质的可能性，且 AMS-02 初步数据可被一个不包含显著高能异常的参考模型良好复现。

ABSTRACT

We present a novel determination of the astrophysical uncertainties associated to the secondary antiproton flux originating from cosmic-ray spallation on the interstellar gas. We select a set of propagation models compatible with the recent B/C data from PAMELA, and find those providing minimal and maximal antiproton fluxes in different energy ranges. We use this result to determine the most conservative bounds on relevant Dark Matter (DM) annihilation channels: We find that the recent claim of a DM interpretation of a gamma-ray excess in the Galactic Center region cannot be ruled out by current antiproton data. Finally, we discuss the impact of the recently released preliminary data from AMS-02. In particular, we provide a reference model compatible with proton, helium and B/C spectra from this experiment. Remarkably, the main propagation parameters of this model are in agreement with the best fit presented in our earlier statistical analyses. We also show that the antiproton-to-proton ratio does not exhibit any significant anomaly at high energy with respect to our predictions.

研究动机与目标

• 通过使用 PAMELA 实验的同步、一致测量，减少次级反质子通量预测中的系统性不确定性。
• 评估传播参数、核截面和太阳调制对反质子能谱的影响。
• 基于与数据兼容的最小次级反质子通量，为暗物质湮灭通道提供保守的约束。
• 检验新参考模型与 AMS-02 初步数据在质子、氦和 B/C 谱上的兼容性。
• 评估反质子与质子比在高能区是否存在异常，这对暗物质搜寻具有重要意义。

提出的方法

• 使用 DRAGON 代码求解在具有可变晕高（2–16 kpc）的圆柱形银河系模型中的宇宙射线扩散-对流输运方程。
• 应用同一数据采集周期内的一致 PAMELA 测量数据集（B/C、质子、氦、碳），以减少太阳调制的不确定性。
• 通过文献 [14] 中的模型，整合来自 NA49 实验的更新反质子产生和非弹性散射截面及其相关不确定性。
• 使用 Helioprop 代码建模电荷相关的太阳调制，包括符号依赖的漂移效应。
• 在与 B/C 数据兼容的传播模型范围内进行参数扫描，以确定每个能量区间内的最小和最大次级反质子通量。
• 通过调整注入谱和硬化参数，将参考模型拟合至 AMS-02 初步数据的质子、氦和 B/C 谱。

Figure 1 : The good models as discussed in section 3.1 in the $\delta-D_{0}$ (left) and $v_{A}-\eta$ (right) planes. Blue points correspond to models compatible with the PAMELA B/C ratio. Green points show the good models obtained using the PAMELA primary proton in addition.

实验结果

研究问题

• RQ1 在传播和截面参数不确定性下，与 PAMELA 的 B/C、质子和氦数据一致的次级反质子通量范围是什么？
• RQ2 传播参数的不确定性与核截面的不确定性相比，对次级反质子通量的决定作用如何？
• RQ3 当前反质子数据能否排除银河系中心伽马射线过量起源于暗物质的最新主张？
• RQ4 在高能区（高于 100 GeV）的反质子与质子比是否表现出显著异常，这对暗物质搜寻具有重要意义？
• RQ5 经调校以匹配 AMS-02 初步数据的模型，其对反质子谱的复现效果如何？

主要发现

• 由于扩散系数归一化与晕高之间的退化，次级反质子通量几乎与银河系晕高无关。
• 传播模型的不确定性在决定次级反质子通量方面占主导地位，超过核截面的不确定性。
• 作为保守背景使用的最小次级反质子通量，使得银河系中心伽马射线过量仍与暗物质起源相容。
• 经调校以匹配 AMS-02 数据的参考模型，在超过三个数量级的能量范围内，良好复现了质子、氦和 B/C 谱的数据。
• 预测的反质子与质子比与 AMS-02 初步数据高度一致，高能区未观测到显著异常。
• 质子注入谱所需的硬化指数 δ 与基于 PAMELA 和 AMS-02 之前数据的统计拟合结果一致。

Figure 2 : The envelope of the secondary antiproton spectra computed with the different propagation models found to reproduce the B/C and primary spectra.