[论文解读] X-ray annual modulation observed by XMM-Newton and Axion Quark Nugget Dark Matter

Shuailiang Ge, Hikari Rachmat+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文提出，XMM-Newton观测到的2–6 keV X射线背景中11σ的年度调制，是由于轴子夸克团（AQN）穿过地球时发射各向同性的X射线所致，其在季节性调制中可被探测到20–25%的变化。与需要共线散射的先前模型不同，AQN以均匀方式发射光子，无需几何约束即可解释强烈的季节性信号，并预测在高达100 keV的能量范围内存在可探测的硬X射线/伽马射线调制。

ABSTRACT

The XMM-Newton observatory shows evidence, with a 11$σ$ confidence level, for seasonal variation of the X-ray background in the near-Earth environment in the 2-6 keV energy range (Fraser et al. 2014). The authors argue that the observed seasonal variation suggests a possible link with dark matter. We propose an explanation which involves the Axion Quark Nugget (AQN) dark matter model. In our proposal, AQNs can cross the Earth and emit high energy photons at their exit. We show that the emitted spectrum is consistent with (Fraser et al. 2014), and that our calculation is not sensitive to the specific details of the model. Our proposal predicts a large seasonal variation, on the level of 20-25%, much larger than conventional dark matter models (1-10%). Since the AQN emission spectrum extends up to $\sim $ 100 keV, well beyond the keV sensitivity of XMM-Newton, we predict the AQN contribution to the hard X-ray and $γ$-ray backgrounds in the Earth's environment. The Gamma-Ray Burst Monitor (GBM) instrument, aboard the FERMI telescope, is sensitive to the 8 keV-40 MeV energy band. The NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) is a NASA space based X ray telescope which operates in the range 3 to 79 keV is also sensitive to higher energy bands. We suggest that the multi-year archival data from the GBM or NuSTAR could be used to search for a seasonal variation in the near-Earth environment up to 100 keV as a future test of the AQN framework.

研究动机与目标

• 解释XMM-Newton观测到的近地X射线背景中11σ的年度调制现象，该现象无法用传统天体物理源或先前的轴子模型加以解释。
• 解决[1]模型中的基本问题，例如对非共线散射和量级为1的几何因子的需求，这些在物理上是不可信的。
• 提出一种替代的暗物质模型——轴子夸克团（AQN），其在穿越地球时因各向同性光子发射而自然产生强烈的季节性X射线辐射。
• 预测在硬X射线和伽马射线波段（高达100 keV）存在可观测的季节性调制，这些预测可通过费米-GBM和NuSTAR的档案数据进行检验。

提出的方法

• 将AQN暗物质建模为紧凑的、相对论性的物体，当其穿过地球大气层时会各向同性地发射高能光子。
• 利用软光子定理和热辐射模型推导X射线发射谱，假设AQN在进入时温度较高，并在穿越过程中冷却。
• 计算单位立体角内的能量依赖光子通量，通过函数 $ dF_r/d heta $ 考虑速度相关的冷却和发射速率，该函数依赖于出射速度 $ v_{\text{out}} $。
• 利用关系式 $ T \propto (K_1/v_{\text{out}} + K_2)^{-1/(c_2(\kappa)+3)} $ 推导出发射通量对团块温度和速度的依赖性，其中参数来自AQN模型物理。
• 通过建模地球轨道运动调制AQN通过探测器的通量，假设其发射具有恒定且各向同性的分布，来估算季节性调制。
• 基于相同的发射模型，预测费米-GBM在8 keV–40 MeV波段和NuSTAR在3–79 keV波段的可探测季节性变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 XMM-Newton在2–6 keV X射线背景中观测到的11σ年度调制，能否由除传统轴子-光子转换之外的暗物质模型加以解释？
• RQ2 为何观测到的X射线背景季节性变化超过标准暗物质模型的预测（通常预期为1–10%的调制）？
• RQ3 轴子夸克团（AQN）是否能自然地产生20–25%的X射线发射季节性调制，而无需依赖非共线散射或几何增强？
• RQ4 AQN模型是否预测在硬X射线和伽马射线波段存在可探测的季节性调制，且延伸至100 keV？
• RQ5 能否利用费米-GBM和NuSTAR的档案数据来检验AQN模型对能量依赖性季节性变化的预测？

主要发现

• AQN模型预测在X射线背景中存在20–25%的季节性调制，远高于传统暗物质模型预期的1–10%。
• AQN发射的X射线谱在2–6 keV波段与XMM-Newton观测结果一致，无需引入共线散射或几何放大。
• 该模型预测AQN发射可延伸至∼100 keV，使其在硬X射线和伽马射线波段可被探测。
• 通量调制源于地球轨道运动对AQN通量的调制，而非方向性发射，从而解决了先前模型中的几何不一致性问题。
• 该模型对具体参数不敏感，因为通量对团块尺寸和磁矩的依赖性微弱，使其对模型细节不敏感。
• 未来可通过费米-GBM（8 keV–40 MeV）和NuSTAR（3–79 keV）的多年档案数据进行检验，这些数据可能揭示高达100 keV的季节性变化。