O możliwości istnienia cząstek ciemnej materii o masach rzędu MeV

1. O możliwości istnienia cząstek ciemnej materii o masach rzędu MeV

2. 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.

3. 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 pomocą satelity „INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory” Jean et al. (2003), Teegarden et al. (2004), Churazov et al. (2008).

4. Detektor SPI/INTEGRAL zaobserwował linię gamma przy energii: 510.9540.075 keV o szerokości 2.370.25 keV. Szerokość kątowa sygnału FWHM 9o dokoła centrum galaktyki. Strumień fotonów 9.9x10-4 ph cm-2s-1. 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.

6. Przykłady ograniczeń:

7. 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

8. 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) .

9. Przykłady oczekiwanych intensywności linii 511 keV dla różnych modeli astrofizycznych

10. 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 powinny zawierać 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.

11. Jak cząstki ciemnej materii mogą anihilować w parę elektron-pozyton? Trzeba założyć, że istnieje dodatkowa lekka cząstka, która słabo 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 limitów dla rozpadów mezonów w „niewidzialne” kanały, jeśli może zajść rozpad U. Jeśli MU<2M to bozon może przejawiać się w rozpadach z parą elektron-pozyton.

12. 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.

13. 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

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

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

16. Oczekiwane sygnały w proponowanym detektorze LENA po 10 latach ekspozycji. Ciekły scyntylator, 5x104m3. Założone masy DM 20 MeV i 60 MeV. Evis [MeV] Linia ciągła - suma tła od neutrin reaktorowych, z supernowych i atmosferycznych.

17. 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 nowym bozonem U na częstość rozpadu 0→e+ e- Ostatnio KTeV-E779 Collaboration podała wynik BR=(7.480.290.25)10-8

18. W modelu standardowym: Poprzez bozon U: Najlepsza ocena teoretyczna Jeśli założyć, że nadwyżka wynika z wkładu tego diagramu BR=(6.20.1)10-8 Można ocenić sprzężenia

20. 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.

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

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