O możliwości istnienia cząstek ciemnej materii o masach rzędu MeV

Plan prezentacji

• Obserwacja jasnej linii 511 keV w widmie fotonów z okolic centrum galaktyki.

• Propagacja i anihilacja pozytronów.• Wyjaśnienie sygnału poprzez anihilację cząstek

ciemnej materii o masach 1-100 MeV.• Nadwyżka w widmie fotonów poniżej 20 MeV –

może to samo pochodzenie?• Możliwość potwierdzenia hipotezy za pomocą

detektorów neutrin. • Możliwe inne eksperymenty.

Wyraźna linia w widmie fotonów przy 511keV była obserwowana w wielu eksperymentach prowadzonych na

dużych wysokościach (balony, misje satelitarne).

Ostatni, bardzo dokładny wynik został uzyskany za pomocąsatelity „INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory”Jean et al. (2003), Teegarden et al. (2004), Churazov et al. (2008).

Figure 1. Spectrum of the e+e− annihilation radiation (fixed background model) detected by SPI from the GC region and the best fit model (thick solid line). The dotted line shows the ortho-positronium radiation and the dashed line shows the underlying power law continuum.

Detektor SPI/INTEGRAL zaobserwował linię gamma przy energii:510.9540.075 keV o szerokości 2.370.25 keV. Szerokość kątowa sygnału FWHM 9o dokoła centrum galaktyki.Strumień fotonów 9.9x10-4 ph cm-2s-1.

Przykłady ograniczeń:

Naturalne wyjaśnienie : anihilacja pozytonów w

spoczynku.

Proponowane są różne możliwe źródła e+:

Jedną z możliwości jest anihilacja stosunkowo lekkich cząstek ciemnej materii (M=1-100 MeV) :

Boehm i inni,Phys.Rev.Lett.92,101301(2004)

Fayet,P. Phys.Rev. D70, 023514 (2004) hep-ph/0408357

Podstawowe cechy obserwowanego sygnałuprzy energii 511 keV, które model opisuje:

• Mała szerokość sygnału – pozytony spowolnione- pozytronium. Pierwotna energia e+ prawdopodobnie nie była większa niż ~100 MeV. Energia powinna nie być duża: bremstrahlung prowadziłby do obserwacji silnego źródła fotonów.

• Sygnał z obszaru o symetrii sferycznej – duży stosunek B/D (bulge to disk). Konwencjonalne źródła astrofizyczne powinny prowadzic do silniejszej emisji z dysku – duża gęstość młodych gwiazd.

• Duża liczba produkowanych pozytonów 1.5*1043/s. Trudna do wyjaśnienia poprzez znane źródła astrofizyczne.• Nie zaobserwowano emisji ze źródeł punktowych (na

poziomie > 10-4/cm2/s/sr) .

Przykłady oczekiwanych intensywności linii 511 keV dla różnych modeli astrofizycznych

Propagacja pozytonów pochodzących z anihilacji →e+e- przez ośrodek

Zakładając typowe gęstości materii w obszarze „galactic bulge”oraz spowalnianie poprzez jonizację otrzymuje się drogę do zatrzymania ~ 1024 cm dla 1MeV (1026 dla 100MeV).Na dodatek przy polach rzędu mikrogaussów pozytony powinnyzawierać się w obszarze, z którego obserwuje się sygnał i anihilować prawie w spoczynku. Jeśli temperatura w sferze dookoła centrum galaktyki byłaby niska to orto-pozytronium :para-pozytronium statystycznie1:3.Czyli oczekiwałoby się anihilacji w 2 w 25%. Obserwuje się znacznie większy stosunek wąskiego piku do tła:około 94%. Trzeba założyc temperaturę ośrodka rzędu 10000 K.

Jak cząstki ciemnej materii mogą anihilować w paręelektron-pozyton?Trzeba założyć, że istnieje dodatkowa lekka cząstka, którasłabo sprzega się do zwykłej materii. Może to być nowy bozon skalowania o spinie 1 związany z nową symetrią U’(1).Sprzężenie U-fermion-antyfermion jest ograniczone przez wartość g-2, rozpraszanie e-ν,

Ograniczenia na własciwości bozonu U wynikają np. z limitówdla rozpadów mezonów w „niewidzialne” kanały, jeśli może zajść rozpad U. Jeśli MU<2M to bozon może przejawiać się w rozpadach z parą elektron-pozyton.

Anihilacja poprzez nowy bozon pośredniczący U

• Słabe sprzężenie do kwarków i leptonów• Masa U>M - dominowałaby anihilacja w UU• Masa U mniejsza od około 20 MeV, aby uniknąc zbyt

wielu fotonów radiacyjnych.

Obserwowany strumień fotonów o energiach 1-20 MeV (eksperyment COMPTEL) nie opisuje się poprzez sumę znanych procesów (odwrotny

proces Comptona+rozpady 0+bremstrahlung) Lawson&Zhitnitsky proponują wyjaśnienie poprzez proces e+e- → w

locie – to samo pochodzenie pozytonów

Jeśli możliwa anihilacja →ee, to także →νν

Neutrina z tego procesu miałyby ustaloną energię i docierają do detektorów naziemnych, ale ocena liczby przypadków,oparta na ocenie przekroju na anihilację na σv=3x10-26 cm3/s jest rzędu kilku na Mton/rok.Proces, który może być badany w detektorze to odwrotna przemiana beta:

nepe

Tło: geoneutrina, neutrina słoneczne i reaktorowe ograniczająszanse na wynik przy energiach mniejszych od około 10 MeV.Przy nieco wyższych energiach tło od neutrin atmosferycznychi w detektorach wodnych od elektronów Michela.

Pierwsze ograniczenia z danych Super-Kamiokande S.Palomarez-Ruiz i S.Pascoli(astro-ph 0710.5420)

Oczekiwane sygnały w proponowanym detektorze LENApo 10 latach ekspozycji. Ciekły scyntylator, 5x104m3.Założone masy DM 20 MeV i 60 MeV.

Evis [MeV]Linia ciągła - suma tła od neutrin reaktorowych, z supernowychi atmosferycznych.

A może lepiej poszukiwać śladów lekkiej ciemnej materii w rozpadach mezonów?

Limity z rozpadów K,ψ i pi0 na foton i obiekt niewidoczny istotnie ograniczają możliwość sprzężenia proponowanego bozonu U do kwarków. Stale jest możliwość poszukania efektu w rzadkich rozpadach.

Kahn i inni, hep-ph (2007) ocenili wpływ diagramu z nowymbozonem U na częstość rozpadu 0→e+ e-

Ostatnio KTeV-E779 Collaboration podała wynikBR=(7.480.290.25)10-8

BR=(6.20.1)10-8

Najlepsza ocena teoretyczna Jeśli założyć, że nadwyżka wynika z wkładu tego diagramu

W modelu standardowym: Poprzez bozon U:

Można ocenić sprzężenia

Inna propozycja: WIMP – branon w modelu z dodatkowymi wymiarami Cembranos,astro-ph 0801.0630

Para e+e- pojawia się w wyniku przejścia miedzy prawie zdegenerowanymi stanami o dużej masie:

Opisuje jednocześnie sygnał 511keV z CG jak i rozproszoną emisję fotonów o energiach rzędu MeV. Rozpad jest trójciałowy – nie można poszukiwać linii widmowych.

Podsumowując:Hipoteza o istnieniu lekkich cząstek ciemnej materii o masach rzędu MeV nie łamie żadnych podstawowych zasad i ograniczeń eksperymentalnych.Zaproponowano kilka możliwych eksperymentów mogącychurealnić postawioną hipotezę.

Błąd wartości średniej 0.075 keV odpowiada niepewnościprędkości tylko 44 m/s. Nie widać przesunięcia linii.