[论文解读] The Case for a 700+ GeV WIMP: Cosmic Ray Spectra from ATIC and PAMELA

Ilias Cholis, Gregory Dobler+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 36

一句话总结

该论文提出，一个700 GeV以上的WIMP通过轻子道道衰变——可能因索莫菲效应而增强——可同时解释帕梅拉探测到的正电子过剩、费米/HESS观测到的宇宙射线正电子-电子谱在高能区的硬化现象，以及WMAP晕状射电发射。该研究识别出在费米能量段存在一个稳健的逆康普顿散射伽马射线信号，作为该暗物质起源的决定性证据。

ABSTRACT

Multiple lines of evidence indicate an anomalous injection of high-energy e+- in the Galactic halo. The recent $e^+$ fraction spectrum from the Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) shows a sharp rise up to 100 GeV. The Fermi Gamma-ray Space Telescope has found a significant hardening of the e+e- cosmic ray spectrum above 100 GeV, with a break, confirmed by HESS at around 1 TeV. The Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC) has also detected detected a similar excess, falling back to the expected spectrum at 1 TeV and above. Excess microwaves towards the galactic center in the WMAP data are consistent with hard synchrotron radiation from a population of 10-100 GeV e+- (the WMAP ``Haze''). We argue that dark matter annihilations can provide a consistent explanation of all of these data, focusing on dominantly leptonic modes, either directly or through a new light boson. Normalizing the signal to the highest energy evidence (Fermi and HESS), we find that similar cross sections provide good fits to PAMELA and the Haze, and that both the required cross section and annihilation modes are achievable in models with Sommerfeld-enhanced annihilation. These models naturally predict significant production of gamma rays in the galactic center via a variety of mechanisms. Most notably, there is a robust inverse-Compton scattered (ICS) gamma-ray signal arising from the energetic electrons and positrons, detectable at Fermi/GLAST energies, which should provide smoking gun evidence for this production.

研究动机与目标

• 在单一暗物质模型中统一解释多个异常的宇宙射线信号——帕梅拉观测到的正电子分数上升、费米/HESS在100 GeV以上观测到的正电子-电子谱硬化，以及WMAP晕状射电发射。
• 识别一个能同时符合高能正电子数据、银河系中心微波辐射和伽马射线约束的暗物质候选者。
• 证明索莫菲增强的WIMP衰变为轻子可使所有数据集的截面保持一致。
• 预测在费米/GLAST能量段存在一个可探测的逆康普顿散射（ICS）伽马射线信号，作为决定性证据。

提出的方法

• 建立WIMP衰变为轻子（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、τ⁺τ⁻）的模型，通过一种新轻规范玻色子介导相互作用。
• 应用索莫菲增强机制，在低速度下抑制截面，同时在银河系晕条件相关的中等能量下增强截面。
• 将WIMP衰变截面归一化至最高能数据（费米和HESS），随后检验其与帕梅拉和WMAP晕状射电数据的一致性。
• 利用WIMP衰变产生的电子能量谱，计算银河系中心区域高能e⁺e⁻产生的逆康普顿散射（ICS）伽马射线通量。
• 将预测的ICS伽马射线能谱与费米/GLAST的探测灵敏度进行比较，评估其可探测性。
• 利用帕梅拉观测到的正电子分数、费米的宇宙射线正电子-电子谱，以及WMAP晕状射电的强度，约束WIMP质量与衰变道。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的700+ GeV WIMP模型能否同时解释帕梅拉正电子过剩、费米/HESS观测到的正电子-电子谱硬化现象，以及WMAP晕状射电？
• RQ2 为拟合全部三个数据集，所需的衰变道和截面是什么？该方案在索莫菲增强框架下是否可行？
• RQ3 此类WIMP预期会产生怎样的逆康普顿散射（ICS）伽马射线信号？其在费米/GLAST能量段是否可探测？
• RQ4 轻规范玻色子的存在如何影响该模型与宇宙射线及微波数据的一致性？
• RQ5 该模型能否在银河系中心产生一个稳健且独特的伽马射线信号，作为暗物质衰变的决定性证据？

主要发现

• 700+ GeV的WIMP通过索莫菲增强的轻子道道衰变，能一致地拟合帕梅拉正电子分数、费米/HESS宇宙射线谱，以及WMAP晕状射电。
• 所需的衰变截面在具有索莫菲增强的模型中自然实现，使该情景在理论上具有可行性。
• 该模型预测在费米/GLAST能量段的银河系中心区域存在强烈的逆康普顿散射（ICS）伽马射线信号，可能成为决定性证据。
• 该ICS伽马射线信号源自与微波晕状射电和宇宙射线异常同源的高能e⁺e⁻群体，具有高度鲁棒性。
• 该模型将WMAP晕状射电解释为10–100 GeV e⁺e⁻产生的硬同步辐射，与同一暗物质源一致。
• 与费米/HESS数据拟合的同一截面，也能成功重现帕梅拉正电子分数和晕状射电强度，表明模型内部高度一致。