[论文解读] The Indirect Search for Dark Matter from the centre of the Galaxy with the Fermi LAT

A. Morselli, Beatriz Cañadas+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文利用费米大面积望远镜（Fermi LAT）的数据，通过银河系中心的高能伽马射线辐射，对暗物质进行了更新的间接搜寻。通过建模已知的天体物理源和弥漫背景，分析未发现超出预期的显著过量发射，对弱相互作用大质量粒子（WIMP）在银河系中心的湮灭截面施加了严格约束。

ABSTRACT

Dark matter (DM) constitutes around a 25% of the Universe, while baryons only a 4%. DM can be reasonably assumed to be made of particles, and many theories (Super-symmetry, Universal Extra Dimensions, etc.) predict Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) as natural DM candidates at the weak scale. Self-annihilation (or decay) of WIMPs might produce secondary gamma-rays, via hadronization or as final state radiation. Since its launch in the 2008, the Large Area Telescope on-board of the Fermi gamma-ray Space Telescope has detected the largest amount of gamma-rays to date, in the 20MeV 300GeV energy range, allowing to perform a very sensitive indirect experimental search for DM (by means of high-energy gamma-rays). DM forms large gravitationally bounded structures, the halos, which can host entire galaxies, such as the Milky Way. The DM distribution in the central part of the halos is not experimentally know, despite a very large density enhancement might be present. As secondary gamma rays production is very sensitive to WIMP density, a very effective search can be performed from the regions where the largest density is expected. Therefore the information provided by the DM halo N-body simulations are crucial. The largest gamma-ray signal from DM annihilation is expected from the centre of the Galaxy. In the same region a large gamma-ray background is produced by bright discrete sources and the cosmic-rays interacting with the interstellar gas and the photons fields. Here we report an update of the indirect search for DM from the Galactic Center (GC).

研究动机与目标

• 利用费米LAT数据，通过银河系中心的高能伽马射线辐射，搜寻暗物质的间接证据。
• 检验弱相互作用大质量粒子（WIMPs）湮灭并产生可探测伽马射线信号的假设。
• 通过包含11个已知源和详细的弥漫发射组分，改进背景建模，以分离潜在的暗物质信号。
• 利用400 MeV至100 GeV能量范围内伽马射线数据的似然分析，约束WIMP湮灭截面。
• 评估未resolved源和改进的弥漫模型对剩余发射的贡献。

提出的方法

• 从费米LAT的“弥漫”类数据中选取能量在400 MeV至100 GeV之间的事件，且事件在追踪器前部转换，以实现高方向重建精度。
• 将事件分箱为以银河系中心为中心的100 × 100空间图，用于似然分析。
• 使用费米1年巡天目录中的11个源，采用幂律谱模型和空间点扩散函数，构建完整的背景模型。
• 利用GALPROP代码（模型87XexphS）对银河弥漫伽马射线背景进行建模，考虑宇宙射线与星际气体的相互作用。
• 将各向同性背景建模为均匀发射组分，以涵盖河外源和残余粒子背景。
• 执行最大似然分析，将观测数据与背景模型进行比较，评估任何剩余发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在已知天体物理源和弥漫背景之外，银河系中心是否存在统计显著的高能伽马射线过量？
• RQ2 观测到的伽马射线发射能否由标准天体物理过程解释，还是需要暗物质湮灭的贡献？
• RQ3 基于未观测到伽马射线过量，WIMP湮灭截面的上限是多少？
• RQ4 对银河弥漫发射的改进模型以及未resolved源的潜在贡献，如何影响剩余发射分布？
• RQ5 数据是否支持与银河系暗物质晕N体模拟预测一致的暗物质信号存在？

主要发现

• 观测到的银河系中心伽马射线发射可由已知天体物理源和弥漫背景组分良好描述，未检测到显著的剩余过量。
• 在减去建模背景后，剩余发射与统计涨落一致，检验统计量为1.04，表明无暗物质信号的证据。
• 该分析对100 GeV WIMP通过b夸克道湮灭的截面设定了约3 × 10⁻²⁶ cm³ s⁻¹的上限，假设为NFW暗物质密度剖面。
• 对银河弥漫发射的改进建模以及未resolved源的潜在贡献，并未显著改变无过量发射的结论。
• 各向同性背景组分得到良好约束，涵盖了河外源和残余粒子贡献。
• 结果与银河系中心不存在主导暗物质信号一致，对WIMP暗物质模型施加了强约束。