[论文解读] TASI Lectures on Indirect Searches For Dark Matter

Dan Hooper|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文全面综述了间接暗物质探测，重点聚焦于伽马射线、宇宙射线、中微子以及宇宙微波背景辐射。文章回顾了理论动机、观测约束以及关键异常现象——如银心伽马射线过量和3.5 keV X射线线——指出质量约为50–80 GeV、且湮灭截面接近热重子余辉基准值（约2×10⁻²⁶ cm³/s）的暗物质候选者仍具可行性，而更高质量或更低截面的模型正受到越来越强的约束。

ABSTRACT

In these lectures, I describe a variety of efforts to identify or constrain the identity of dark matter by detecting the annihilation or decay products of these particles, or their effects. After reviewing the motivation for indirect searches, I discuss what we have learned about dark matter from observations of gamma rays, cosmic rays and neutrinos, as well as the cosmic microwave background. Measurements such as these have been used to significantly constrain a wide range of thermal relic dark matter candidates, in particular those with masses below a few hundred GeV. I also discuss a number of anomalies and excesses that have been interpreted as possible signals of dark matter, including the Galactic Center gamma-ray excess, the cosmic-ray antiproton excess, the cosmic-ray positron excess, and the 3.5 keV line. These lectures were originally presented as part of the 2018 Theoretical Advanced Study Institute (TASI) summer school on "Theory in an Era of Data". Although intended for advanced graduate students, these lectures may be useful for a wide range of physicists, astrophysicists and astronomers who wish to get an overview of the current state of indirect searches for dark matter.

研究动机与目标

• 为高级研究生和研究人员提供间接暗物质探测技术的教学性概述。
• 基于热重子余辉丰度机制，回顾间接探测的理论动机。
• 总结来自伽马射线、宇宙射线、中微子和CMB的观测约束，涵盖暗物质湮灭与衰变过程。
• 评估诸如银心伽马射线过量、宇宙射线正电子与反质子过量以及3.5 keV X射线线等异常现象作为潜在暗物质信号的可能性。
• 评估当前及未来实验对宽质量范围内暗物质候选者的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用包含热平均湮灭截面⟨σv⟩的玻尔兹曼方程，推导热重子余辉暗物质的冻结出条件。
• 应用基准截面⟨σv⟩ ≈ 2×10⁻²⁶ cm³/s，将暗物质余辉密度与可观测的湮灭产物联系起来。
• 分析来自矮星系、银心以及各向同性背景的伽马射线数据，以约束湮灭信号。
• 评估正电子、反质子、反氘核及反氦核的宇宙射线数据，以探测暗物质向轻子态和强子态的湮灭过程。
• 利用中微子探测前景，约束高密度区域（如银心和太阳）中的暗物质。
• 应用宇宙微波背景的约束，排除质量小于30 GeV的湮灭型暗物质。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于热重子余辉机制，间接暗物质探测的理论动机是什么？
• RQ2 对矮星系和银心的伽马射线观测如何约束暗物质的质量与湮灭截面？
• RQ3 对正电子与反质子的宇宙射线测量在多大程度上为或排除了暗物质湮灭的证据？
• RQ4 3.5 keV X射线线能否由衰变的惰性中微子暗物质解释？当前的观测约束如何？
• RQ5 宇宙微波背景与中微子观测的约束如何与伽马射线和宇宙射线数据互补，以揭示暗物质的性质？

主要发现

• 热重子余辉暗物质的⟨σv⟩ ≈ 2×10⁻²⁶ cm³/s 自然地再现了观测到的暗物质密度，为间接探测提供了一个关键基准。
• 对矮星系的伽马射线观测将湮灭型暗物质的约束扩展至质量约60–140 GeV的范围，具体取决于末态。
• 宇宙微波背景排除了质量低于约10–30 GeV的湮灭型暗物质（在热重子余辉基准截面下）。
• 宇宙射线反质子数据对质量在约160–500 GeV范围的暗物质提供了排除限值，尽管系统误差仍较大。
• 银心伽马射线过量与宇宙射线正电子过量均指向质量约为50–80 GeV、⟨σv⟩ ≈ 2×10⁻²⁶ cm³/s的暗物质湮灭，尤其在b¯b末态中。
• 3.5 keV X射线线尚未被证实，但未来具有高光谱分辨率的X射线望远镜有望检验其暗物质起源。