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基于宇宙射线电子和正电子对兆电子伏特暗物质粒子的新型限制

Novel Cosmic-Ray Electron and Positron Constraints on MeV Dark Matter Particles.

作者信息

Boudaud Mathieu, Lavalle Julien, Salati Pierre

机构信息

LAPTh, Université Savoie Mont Blanc & CNRS, 9 Chemin de Bellevue, B.P.110, F-74941 Annecy-le-Vieux, France.

Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Énergies (LPTHE), UMR 7589 CNRS & UPMC, 4 Place Jussieu, F-75252 Paris, France.

出版信息

Phys Rev Lett. 2017 Jul 14;119(2):021103. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.021103. Epub 2017 Jul 13.

DOI:10.1103/PhysRevLett.119.021103
PMID:28753364
Abstract

MeV dark matter (DM) particles annihilating or decaying to electron-positron pairs cannot, in principle, be observed via local cosmic-ray (CR) measurements because of the shielding solar magnetic field. In this Letter, we take advantage of spacecraft Voyager 1's capacity for detecting interstellar CRs since it crossed the heliopause in 2012. This opens up a new avenue to probe DM in the sub-GeV energy/mass range that we exploit here for the first time. From a complete description of the transport of electrons and positrons at low energy, we derive predictions for both the secondary astrophysical background and the pair production mechanisms relevant to DM annihilation or decay down to the MeV mass range. Interestingly, we show that reacceleration may push positrons up to energies larger than the DM particle mass. We combine the constraints from the Voyager and AMS-02 data to get novel limits covering a very extended DM particle mass range, from MeV to TeV. In the MeV mass range, our limits reach annihilation cross sections of order ⟨σv⟩∼10^{-28}  cm^{3}/s. An interesting aspect is that these limits barely depend on the details of cosmic-ray propagation in the weak reacceleration case, a configuration which seems to be favored by the most recent B/C data. Though extracted from a completely different and new probe, these bounds have a strength similar to those obtained with the cosmic microwave background-they are even more stringent for p-wave annihilation.

摘要

由于太阳磁场的屏蔽作用,原则上通过局部宇宙射线(CR)测量无法观测到湮灭或衰变成电子 - 正电子对的兆电子伏特暗物质(DM)粒子。在本信函中,我们利用了旅行者1号航天器自2012年穿越日球层以来探测星际CR的能力。这开辟了一条新途径,可在亚GeV能量/质量范围内探测暗物质,我们在此首次加以利用。通过对低能电子和正电子传输的完整描述,我们得出了与暗物质湮灭或衰变直至MeV质量范围相关的次级天体物理背景和对产生机制的预测。有趣的是,我们表明再加速可能将正电子推至高于暗物质粒子质量的能量。我们结合旅行者号和AMS - 02数据的限制,以获得涵盖从MeV到TeV非常广泛的暗物质粒子质量范围的新限制。在MeV质量范围内,我们的限制达到湮灭截面量级为⟨σv⟩∼10^{-28}  cm^{3}/s。一个有趣的方面是,在弱再加速情况下,这些限制几乎不依赖于宇宙射线传播的细节,这种情况似乎受到最新的B/C数据青睐。尽管这些限制是从完全不同的新探测中提取的,但它们的强度与通过宇宙微波背景获得的限制相似——对于p波湮灭,它们甚至更严格。

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