[论文解读] The TeV Cosmic-Ray Anisotropy from Local Dark Matter Annihilation

J. P. Harding|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出，观测到的TeV宇宙射线各向异性，特别是区域A中的各向异性，源于附近次星系中暗物质湮灭，该次星系通过磁流与地球相连。该模型在不引入新物理的情况下，自然解释了约10 TeV处的硬谱截止和小尺度角各向异性，同时与反质子、正电子和伽马射线的约束一致，并预测了未来实验（如AMS-02和HAWC）中可探测到的信号。

ABSTRACT

Several experiments have reported regions in the TeV sky with an excess of cosmic rays. Here we consider the possibility that the excess cosmic rays are coming from dark matter annihilation in nearby subhalos. We provide motivation for dark matter as the source of the excess and show that dark matter annihilations can naturally produce the cosmic ray anisotropy without the need for exotic dark matter models. We show that viable dark matter explanations of the cosmic ray excess are consistent with current measurements of antiprotons, positrons, and gamma-rays. Additionally, we show that the dark matter interpretation of the observed anisotropy predicts detections in several cosmic ray channels by the next generation of experiments.

研究动机与目标

• 解释观测到的小尺度TeV宇宙射线各向异性，特别是区域A中表现出约10 TeV处硬谱截止的特征。
• 检验附近次星系中暗物质湮灭是否能自然产生观测到的各向异性，而无需引入新奇模型或天体物理增强。
• 评估该模型与现有反质子、正电子和伽马射线约束的一致性。
• 预测此类暗物质源在即将开展的宇宙射线和伽马射线实验中的可探测信号。

提出的方法

• 使用PYTHIA 6.4模拟暗物质湮灭产生的宇宙射线能谱，重点关注30–200 TeV暗物质质量下$W^+W^-$、$Z^0Z^0$和$b\bar{b}$末态。
• 将暗物质次星系建模为一个紧凑且靠近地球的源（距离小于100 pc），通过磁流与地球相连，该磁流可使强子准直化并抑制伽马射线发射。
• 对低速下由$Z^0$介导的湮灭采用Sommerfeld增强机制，使多TeV暗物质的截面自然增大。
• 采用保守的次星系质量估计（$10^6 M_\odot$）、磁流几何结构和传播效应估计，忽略次结构和聚焦效应以增强稳健性。
• 将预测的宇宙射线通量与Abdo等（2008年）的数据进行比较，确保与观测到的各向异性幅度和谱形一致。
• 评估与VERITAS、HESS和Fermi-LAT约束的一致性，特别通过考虑次星系特异的增强效应，使其不被标准银心限制所捕获。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不引入新奇物理的前提下，附近次星系中的暗物质湮灭能否重现TeV宇宙射线中观测到的硬谱、小尺度各向异性？
• RQ2 自然Sommerfeld增强的引入如何影响解释宇宙射线过剩的暗物质模型的可行性？
• RQ3 所提出的暗物质源是否与现有反质子、正电子和伽马射线测量结果一致？
• RQ4 此类暗物质源在AMS-02和HAWC等未来实验中可能产生哪些可探测的信号？
• RQ5 来自本地次星系的磁流能否自然解释尽管存在强烈的宇宙射线各向异性，却缺乏对应伽马射线信号的现象？

主要发现

• $W^+W^-$、$Z^0Z^0$和$b\bar{b}$湮灭通道在30–200 TeV暗物质质量范围内产生的宇宙射线谱具有硬谱和约10 TeV处的截止，与观测到的区域A谱形一致。
• 50 TeV的$Z^0Z^0$-通道暗物质模型在自然Sommerfeld增强下，截面可达$\sim 1301 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$，足以解释各向异性而无需额外增强。
• 该模型与HESS银心限制和VERITAS Segue 1约束一致，因为次星系特异的增强效应未被标准银心限制所涵盖。
• 质量为$10^6 M_\odot$的次星系，若通过$50\ \text{TeV}\ Z^0Z^0$-通道湮灭，其未增强截面低于$2 \times 10^{-24}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$，即可产生观测到的各向异性通量，且远在观测限制之内。
• 该模型预测AMS-02在区域A方向的指向观测中将探测到可检测的正电子过剩，同时HAWC可探测到一个明亮且扩展的伽马射线源。
• 缺乏对应伽马射线信号的现象可通过磁场所导致的强子准直化以及光束方向伽马射线发射的抑制得到自然解释。