Multicomponent dark matter systems and their observation prospects

被引：84

作者：

Aoki, Mayumi ^{[1
,2
]}

Duerr, Michael ^{[2
]}

Kubo, Jisuke ^{[1
]}

Takano, Hiroshi ^{[1
]}

机构：

[1] Kanazawa Univ, Inst Theoret Phys, Kanazawa, Ishikawa 9201192, Japan

[2] Max Planck Inst Kernphys, D-69117 Heidelberg, Germany

来源：

PHYSICAL REVIEW D | 2012年 / 86卷 / 07期

关键词：

RAY POSITRON FRACTION; RELIC DENSITY; COSMIC-RAYS; CANDIDATES; TELESCOPE; NEUTRINOS; SEARCH; MODEL;

D O I：

10.1103/PhysRevD.86.076015

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

Conversions and semiannihilations of dark matter (DM) particles in addition to the standard DM annihilations are considered in a three-component DM system. We find that the relic abundance of DM can be very sensitive to these nonstandard DM annihilation processes, which has been recently found for two-component DM systems. To consider a concrete model of a three-component DM system, we extend the radiative seesaw model of Ma by adding a Majorana fermion chi and a real scalar boson phi, to obtain a Z(2) x Z'(2) DM stabilizing symmetry, where we assume that the DM particles are the inert Higgs boson, chi and phi. It is shown how the allowed parameter space, obtained previously in the absence of chi and phi, changes. The semiannihilation process in this model produces monochromatic neutrinos. The observation rate of these monochromatic neutrinos from the Sun at IceCube is estimated. Observations of high-energy monochromatic neutrinos from the Sun may indicate a multicomponent DM system.

引用

页数：13

共 91 条

[1] Results from a Search for Light-Mass Dark Matter with a p-Type Point Contact Germanium Detector [J].

Aalseth, C. E. ;

Barbeau, P. S. ;

Bowden, N. S. ;

Cabrera-Palmer, B. ;

Colaresi, J. ;

Collar, J. I. ;

Dazeley, S. ;

de Lurgio, P. ;

Fast, J. E. ;

Fields, N. ;

Greenberg, C. H. ;

Hossbach, T. W. ;

Keillor, M. E. ;

Kephart, J. D. ;

Marino, M. G. ;

Miley, H. S. ;

Miller, M. L. ;

Orrell, J. L. ;

Radford, D. C. ;

Reyna, D. ;

Tench, O. ;

Van Wechel, T. D. ;

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[2] THE SEVENTH DATA RELEASE OF THE SLOAN DIGITAL SKY SURVEY [J].

Abazajian, Kevork N. ;

Adelman-McCarthy, Jennifer K. ;

Agueros, Marcel A. ;

Allam, Sahar S. ;

Prieto, Carlos Allende ;

An, Deokkeun ;

Anderson, Kurt S. J. ;

Anderson, Scott F. ;

Annis, James ;

Bahcall, Neta A. ;

Bailer-Jones, C. A. L. ;

Barentine, J. C. ;

Bassett, Bruce A. ;

Becker, Andrew C. ;

Beers, Timothy C. ;

Bell, Eric F. ;

Belokurov, Vasily ;

Berlind, Andreas A. ;

Berman, Eileen F. ;

Bernardi, Mariangela ;

Bickerton, Steven J. ;

Bizyaev, Dmitry ;

Blakeslee, John P. ;

Blanton, Michael R. ;

Bochanski, John J. ;

Boroski, William N. ;

Brewington, Howard J. ;

Brinchmann, Jarle ;

Brinkmann, J. ;

Brunner, Robert J. ;

Budavari, Tamas ;

Carey, Larry N. ;

Carliles, Samuel ;

Carr, Michael A. ;

Castander, Francisco J. ;

Cinabro, David ;

Connolly, A. J. ;

Csabai, Istvan ;

Cunha, Carlos E. ;

Czarapata, Paul C. ;

Davenport, James R. A. ;

de Haas, Ernst ;

Dilday, Ben ;

Doi, Mamoru ;

Eisenstein, Daniel J. ;

Evans, Michael L. ;

Evans, N. W. ;

Fan, Xiaohui ;

Friedman, Scott D. ;

Frieman, Joshua A. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2009, 182 (02) :543-558

[3] Multiyear search for dark matter annihilations in the Sun with the AMANDA-II and IceCube detectors [J].

Abbasi, R. ;

Abdou, Y. ;

Abu-Zayyad, T. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Andeen, K. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Altmann, D. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Bay, R. ;

Alba, J. L. Bazo ;

Beattie, K. ;

Beatty, J. J. ;

Bechet, S. ;

Becker, J. K. ;

Becker, K. -H. ;

Bell, M. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

BenZvi, S. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Brown, A. M. ;

Buitink, S. ;

Caballero-Mora, K. S. ;

Carson, M. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

Clevermann, F. ;

Cohen, S. ;

Colnard, C. ;

Cowen, D. F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2012, 85 (04)

[4] VERITAS SEARCH FOR VHE GAMMA-RAY EMISSION FROM DWARF SPHEROIDAL GALAXIES [J].

Acciari, V. A. ;

Arlen, T. ;

Aune, T. ;

Beilicke, M. ;

Benbow, W. ;

Boltuch, D. ;

Bradbury, S. M. ;

Buckley, J. H. ;

Bugaev, V. ;

Byrum, K. ;

Cannon, A. ;

Cesarini, A. ;

Christiansen, J. L. ;

Ciupik, L. ;

Cui, W. ;

Dickherber, R. ;

Duke, C. ;

Finley, J. P. ;

Finnegan, G. ;

Furniss, A. ;

Galante, N. ;

Godambe, S. ;

Grube, J. ;

Guenette, R. ;

Gyuk, G. ;

Hanna, D. ;

Holder, J. ;

Hui, C. M. ;

Humensky, T. B. ;

Imran, A. ;

Kaaret, P. ;

Karlsson, N. ;

Kertzman, M. ;

Kieda, D. ;

Konopelko, A. ;

Krawczynski, H. ;

Krennrich, F. ;

Maier, G. ;

McArthur, S. ;

McCann, A. ;

McCutcheon, M. ;

Moriarty, P. ;

Ong, R. A. ;

Otte, A. N. ;

Pandel, D. ;

Perkins, J. S. ;

Pohl, M. ;

Quinn, J. ;

Ragan, K. ;

Reyes, L. C. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2010, 720 (02) :1174-1180

[5] Measurement of Separate Cosmic-Ray Electron and Positron Spectra with the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Allafort, A. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bouvier, A. ;

Bregeon, J. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Dermer, C. D. ;

Digel, S. W. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Ferrara, E. C. ;

Focke, W. B. ;

Fortin, P. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2012, 108 (01)

[6] An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100 GeV [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

Bonechi, L. ;

Bongi, M. ;

Bonvicini, V. ;

Bottai, S. ;

Bruno, A. ;

Cafagna, F. ;

Campana, D. ;

Carlson, P. ;

Casolino, M. ;

Castellini, G. ;

De Pascale, M. P. ;

De Rosa, G. ;

De Simone, N. ;

Di Felice, V. ;

Galper, A. M. ;

Grishantseva, L. ;

Hofverberg, P. ;

Koldashov, S. V. ;

Krutkov, S. Y. ;

Kvashnin, A. N. ;

Leonov, A. ;

Malvezzi, V. ;

Marcelli, L. ;

Menn, W. ;

Mikhailov, V. V. ;

Mocchiutti, E. ;

Orsi, S. ;

Osteria, G. ;

Papini, P. ;

Pearce, M. ;

Picozza, P. ;

Ricci, M. ;

Ricciarini, S. B. ;

Simon, M. ;

Sparvoli, R. ;

Spillantini, P. ;

Stozhkov, Y. I. ;

Vacchi, A. ;

Vannuccini, E. ;

Vasilyev, G. ;

Voronov, S. A. ;

Yurkin, Y. T. ;

Zampa, G. ;

Zampa, N. .

NATURE, 2009, 458 (7238) :607-609

[7] Distinguishing dark matter stabilization symmetries using multiple kinematic edges and cusps [J].

Agashe, Kaustubh ;

Kim, Doojin ;

Toharia, Manuel ;

Walker, Devin G. E. .

PHYSICAL REVIEW D, 2010, 82 (01)

[8] Signals of inert doublet dark matter in neutrino telescopes [J].

Agrawal, Prateek ;

Dolle, Ethan M. ;

Krenke, Christopher A. .

PHYSICAL REVIEW D, 2009, 79 (01)

[9] Cosmic-ray positron fraction measurement from 1 to 30 GeV with AMS-01 [J].

Aguilar, M. ;

Alcaraz, J. ;

Allaby, J. ;

Alpat, B. ;

Ambrosi, G. ;

Anderhub, H. ;

Ao, L. ;

Arefiev, A. ;

Azzarello, P. ;

Baldini, L. ;

Basile, M. ;

Barancourt, D. ;

Barao, F. ;

Barbier, G. ;

Barreira, G. ;

Battiston, R. ;

Becker, R. ;

Becker, U. ;

Bellagamba, L. ;

Bene, P. ;

Berdugo, J. ;

Berges, R. ;

Bertucci, B. ;

Biland, A. ;

Blasko, S. ;

Boella, G. ;

Boschini, M. ;

Bourquin, M. ;

Brocco, L. ;

Bruni, G. ;

Buenerd, M. ;

Burger, J. D. ;

Burger, W. J. ;

Cai, X. D. ;

Camps, C. ;

Cannarsa, P. ;

Capell, M. ;

Cardano, F. ;

Casadei, D. ;

Casaus, J. ;

Castellini, G. ;

Chang, Y. H. ;

Chen, H. F. ;

Chen, H. S. ;

Chen, Z. G. ;

Chernoplekov, N. A. ;

Chiueh, T. H. ;

Cho, K. ;

Choi, M. J. ;

Choi, Y. Y. .

PHYSICS LETTERS B, 2007, 646 (04) :145-154

[10] HESS observations of the Galactic Center region and their possible dark matter interpretation [J].

Aharonian, F. ;

Akhperjanian, A. G. ;

Bazer-Bachi, A. R. ;

Beilicke, M. ;

Benbow, W. ;

Berge, D. ;

Bernloehr, K. ;

Boisson, C. ;

Bolz, O. ;

Borrel, V. ;

Braun, I. ;

Breitling, F. ;

Brown, A. M. ;

Buehler, R. ;

Busching, I. ;

Carrigan, S. ;

Chadwick, P. M. ;

Chounet, L. -M. ;

Cornils, R. ;

Costamante, L. ;

Degrange, B. ;

Dickinson, H. J. ;

Djannati-Atai, A. ;

Drury, L. O'C. ;

Dubus, G. ;

Egberts, K. ;

Emmanoulopoulos, D. ;

Espigat, P. ;

Feinstein, F. ;

Ferrero, E. ;

Fiasson, A. ;

Fontaine, G. ;

Funk, Seb. ;

Funk, S. ;

Gallant, Y. A. ;

Giebels, B. ;

Glicenstein, J. F. ;

Goret, P. ;

Hadjichristidis, C. ;

Hauser, D. ;

Hauser, M. ;

Heinzelmann, G. ;

Henri, G. ;

Hermann, G. ;

Hinton, J. A. ;

Hofmann, W. ;

Holleran, M. ;

Horns, D. ;

Jacholkowska, A. ;

de Jager, O. C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2006, 97 (22)

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[1] Results from a Search for Light-Mass Dark Matter with a p-Type Point Contact Germanium Detector [J].

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Cabrera-Palmer, B. ;

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de Lurgio, P. ;

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Fields, N. ;

Greenberg, C. H. ;

Hossbach, T. W. ;

Keillor, M. E. ;

Kephart, J. D. ;

Marino, M. G. ;

Miley, H. S. ;

Miller, M. L. ;

Orrell, J. L. ;

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Reyna, D. ;

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[2] THE SEVENTH DATA RELEASE OF THE SLOAN DIGITAL SKY SURVEY [J].

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Anderson, Scott F. ;

Annis, James ;

Bahcall, Neta A. ;

Bailer-Jones, C. A. L. ;

Barentine, J. C. ;

Bassett, Bruce A. ;

Becker, Andrew C. ;

Beers, Timothy C. ;

Bell, Eric F. ;

Belokurov, Vasily ;

Berlind, Andreas A. ;

Berman, Eileen F. ;

Bernardi, Mariangela ;

Bickerton, Steven J. ;

Bizyaev, Dmitry ;

Blakeslee, John P. ;

Blanton, Michael R. ;

Bochanski, John J. ;

Boroski, William N. ;

Brewington, Howard J. ;

Brinchmann, Jarle ;

Brinkmann, J. ;

Brunner, Robert J. ;

Budavari, Tamas ;

Carey, Larry N. ;

Carliles, Samuel ;

Carr, Michael A. ;

Castander, Francisco J. ;

Cinabro, David ;

Connolly, A. J. ;

Csabai, Istvan ;

Cunha, Carlos E. ;

Czarapata, Paul C. ;

Davenport, James R. A. ;

de Haas, Ernst ;

Dilday, Ben ;

Doi, Mamoru ;

Eisenstein, Daniel J. ;

Evans, Michael L. ;

Evans, N. W. ;

Fan, Xiaohui ;

Friedman, Scott D. ;

Frieman, Joshua A. .

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Abdou, Y. ;

Abu-Zayyad, T. ;

Ackermann, M. ;

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Andeen, K. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Altmann, D. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Baker, M. ;

Barwick, S. W. ;

Bay, R. ;

Alba, J. L. Bazo ;

Beattie, K. ;

Beatty, J. J. ;

Bechet, S. ;

Becker, J. K. ;

Becker, K. -H. ;

Bell, M. ;

Benabderrahmane, M. L. ;

BenZvi, S. ;

Berdermann, J. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bertrand, D. ;

Besson, D. Z. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Brown, A. M. ;

Buitink, S. ;

Caballero-Mora, K. S. ;

Carson, M. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

Christy, B. ;

Clevermann, F. ;

Cohen, S. ;

Colnard, C. ;

Cowen, D. F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2012, 85 (04)

[4] VERITAS SEARCH FOR VHE GAMMA-RAY EMISSION FROM DWARF SPHEROIDAL GALAXIES [J].

Acciari, V. A. ;

Arlen, T. ;

Aune, T. ;

Beilicke, M. ;

Benbow, W. ;

Boltuch, D. ;

Bradbury, S. M. ;

Buckley, J. H. ;

Bugaev, V. ;

Byrum, K. ;

Cannon, A. ;

Cesarini, A. ;

Christiansen, J. L. ;

Ciupik, L. ;

Cui, W. ;

Dickherber, R. ;

Duke, C. ;

Finley, J. P. ;

Finnegan, G. ;

Furniss, A. ;

Galante, N. ;

Godambe, S. ;

Grube, J. ;

Guenette, R. ;

Gyuk, G. ;

Hanna, D. ;

Holder, J. ;

Hui, C. M. ;

Humensky, T. B. ;

Imran, A. ;

Kaaret, P. ;

Karlsson, N. ;

Kertzman, M. ;

Kieda, D. ;

Konopelko, A. ;

Krawczynski, H. ;

Krennrich, F. ;

Maier, G. ;

McArthur, S. ;

McCann, A. ;

McCutcheon, M. ;

Moriarty, P. ;

Ong, R. A. ;

Otte, A. N. ;

Pandel, D. ;

Perkins, J. S. ;

Pohl, M. ;

Quinn, J. ;

Ragan, K. ;

Reyes, L. C. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2010, 720 (02) :1174-1180

[5] Measurement of Separate Cosmic-Ray Electron and Positron Spectra with the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Allafort, A. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bouvier, A. ;

Bregeon, J. ;

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Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

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Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Dermer, C. D. ;

Digel, S. W. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Ferrara, E. C. ;

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Fortin, P. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2012, 108 (01)

[6] An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100 GeV [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

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Bongi, M. ;

Bonvicini, V. ;

Bottai, S. ;

Bruno, A. ;

Cafagna, F. ;

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Castellini, G. ;

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Galper, A. M. ;

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Menn, W. ;

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Papini, P. ;

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Picozza, P. ;

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Ricciarini, S. B. ;

Simon, M. ;

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Stozhkov, Y. I. ;

Vacchi, A. ;

Vannuccini, E. ;

Vasilyev, G. ;

Voronov, S. A. ;

Yurkin, Y. T. ;

Zampa, G. ;

Zampa, N. .

NATURE, 2009, 458 (7238) :607-609

[7] Distinguishing dark matter stabilization symmetries using multiple kinematic edges and cusps [J].

Agashe, Kaustubh ;

Kim, Doojin ;

Toharia, Manuel ;

Walker, Devin G. E. .

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[8] Signals of inert doublet dark matter in neutrino telescopes [J].

Agrawal, Prateek ;

Dolle, Ethan M. ;

Krenke, Christopher A. .

PHYSICAL REVIEW D, 2009, 79 (01)

[9] Cosmic-ray positron fraction measurement from 1 to 30 GeV with AMS-01 [J].

Aguilar, M. ;

Alcaraz, J. ;

Allaby, J. ;

Alpat, B. ;

Ambrosi, G. ;

Anderhub, H. ;

Ao, L. ;

Arefiev, A. ;

Azzarello, P. ;

Baldini, L. ;

Basile, M. ;

Barancourt, D. ;

Barao, F. ;

Barbier, G. ;

Barreira, G. ;

Battiston, R. ;

Becker, R. ;

Becker, U. ;

Bellagamba, L. ;

Bene, P. ;

Berdugo, J. ;

Berges, R. ;

Bertucci, B. ;

Biland, A. ;

Blasko, S. ;

Boella, G. ;

Boschini, M. ;

Bourquin, M. ;

Brocco, L. ;

Bruni, G. ;

Buenerd, M. ;

Burger, J. D. ;

Burger, W. J. ;

Cai, X. D. ;

Camps, C. ;

Cannarsa, P. ;

Capell, M. ;

Cardano, F. ;

Casadei, D. ;

Casaus, J. ;

Castellini, G. ;

Chang, Y. H. ;

Chen, H. F. ;

Chen, H. S. ;

Chen, Z. G. ;

Chernoplekov, N. A. ;

Chiueh, T. H. ;

Cho, K. ;

Choi, M. J. ;

Choi, Y. Y. .

PHYSICS LETTERS B, 2007, 646 (04) :145-154

[10] HESS observations of the Galactic Center region and their possible dark matter interpretation [J].

Aharonian, F. ;

Akhperjanian, A. G. ;

Bazer-Bachi, A. R. ;

Beilicke, M. ;

Benbow, W. ;

Berge, D. ;

Bernloehr, K. ;

Boisson, C. ;

Bolz, O. ;

Borrel, V. ;

Braun, I. ;

Breitling, F. ;

Brown, A. M. ;

Buehler, R. ;

Busching, I. ;

Carrigan, S. ;

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Chounet, L. -M. ;

Cornils, R. ;

Costamante, L. ;

Degrange, B. ;

Dickinson, H. J. ;

Djannati-Atai, A. ;

Drury, L. O'C. ;

Dubus, G. ;

Egberts, K. ;

Emmanoulopoulos, D. ;

Espigat, P. ;

Feinstein, F. ;

Ferrero, E. ;

Fiasson, A. ;

Fontaine, G. ;

Funk, Seb. ;

Funk, S. ;

Gallant, Y. A. ;

Giebels, B. ;

Glicenstein, J. F. ;

Goret, P. ;

Hadjichristidis, C. ;

Hauser, D. ;

Hauser, M. ;

Heinzelmann, G. ;

Henri, G. ;

Hermann, G. ;

Hinton, J. A. ;

Hofmann, W. ;

Holleran, M. ;

Horns, D. ;

Jacholkowska, A. ;

de Jager, O. C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2006, 97 (22)

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