Solar γ rays as a complementary probe of dark matter

被引:41
作者
Arina, Chiara [1 ]
Backovic, Mihailo [1 ]
Heisig, Jan [2 ]
Lucente, Michele [1 ]
机构
[1] Catholic Univ Louvain, Ctr Cosmol Particle Phys & Phenomenol CP3, B-1348 Louvain La Neuve, Belgium
[2] Rhein Westfal TH Aachen, Inst Theoret Particle Phys & Cosmol, D-52056 Aachen, Germany
关键词
ANNIHILATION; PARTICLES; NEUTRINOS; FACILITY; CAPTURE; SEARCH; DECAY; SUN;
D O I
10.1103/PhysRevD.96.063010
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
show that observations of solar. rays offer a novel probe of dark matter in scenarios where interactions with the visible sector proceed via a long-lived mediator. As a proof of principle, we demonstrate that there exists a class of models which yield solar gamma-ray fluxes observable with the next generation of gamma-ray telescopes, while being allowed by a variety of current experimental constraints. The parameter space allowed by big bang nucleosynthesis and beam dump experiments naturally leads to mediator lifetimes sufficient to produce observable solar gamma-ray signals. The model allows for solar gamma-ray fluxes up to orders of magnitude larger compared to dwarf spheroidal galaxies, without reaching equilibrium between dark matter annihilation and capture rate. Our results suggest that solar gamma-ray observations are complementary, and in some cases superior, to existing and future dark matter detection efforts.
引用
收藏
页数:16
相关论文
共 80 条
[1]   FERMI LARGE AREA TELESCOPE OBSERVATIONS OF TWO GAMMA-RAY EMISSION COMPONENTS FROM THE QUIESCENT SUN [J].
Abdo, A. A. ;
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bouvier, A. ;
Bregeon, J. ;
Brez, A. ;
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. ;
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. ;
Dubois, R. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, S. J. ;
Focke, W. B. ;
Fortin, P. ;
Frailis, M. ;
Funk, S. ;
Fusco, P. ;
Gargano, F. ;
Gasparrini, D. ;
Gehrels, N. ;
Germani, S. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2011, 734 (02)
[2]   Sensitivity of the high altitude water Cherenkov detector to sources of multi-TeV gamma rays [J].
Abeysekara, A. U. ;
Alfaro, R. ;
Alvarez, C. ;
Alvarez, J. D. ;
Arceo, R. ;
Arteaga-Velazquez, J. C. ;
Solares, H. A. Ayala ;
Barber, A. S. ;
Baughman, B. M. ;
Bautista-Elivar, N. ;
Belmont, E. ;
BenZvi, S. Y. ;
Berley, D. ;
Bonilla Rosales, M. ;
Braun, J. ;
Caballero-Lopez, R. A. ;
Carraminana, A. ;
Castillo, M. ;
Cotti, U. ;
Cotzmi, J. ;
de la Fuente, E. ;
De Leon, C. ;
DeYoung, T. ;
Diaz Hernandez, R. ;
Diaz-Velez, J. C. ;
Dingus, B. L. ;
DuVernois, M. A. ;
Ellsworth, R. W. ;
Fernandez, A. ;
Fiorino, D. W. ;
Fraija, N. ;
Galindo, A. ;
Garcia-Luna, J. L. ;
Garcia-Torales, G. ;
Garfias, F. ;
Gonzalez, L. X. ;
Gonzalez, M. M. ;
Goodman, J. A. ;
Grabski, V. ;
Gussert, M. ;
Hampel-Arias, Z. ;
Hui, C. M. ;
Huentemeyer, P. ;
Imran, A. ;
Iriarte, A. ;
Karn, P. ;
Kieda, D. ;
Kunde, G. J. ;
Lara, A. ;
Lauer, R. J. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2013, 50-52 :26-32
[3]   The Fermi Galactic Center GeV Excess and Implications for Dark Matter [J].
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Albert, A. ;
Atwood, W. B. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bellazzini, R. ;
Bissaldi, E. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonino, R. ;
Bottacini, E. ;
Brandt, T. J. ;
Bregeon ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Burnett, T. H. ;
Cameron, R. A. ;
Caputo, R. ;
Caragiulo, M. ;
Caraveo, P. A. ;
Cavazzuti, E. ;
Cecchi, C. ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Chiang, J. ;
Chiappo, A. ;
Chiaro, G. ;
Ciprini, S. ;
Conrad, J. ;
Costanza, F. ;
Cuoco, A. ;
Cutini, S. ;
D'Ammando, F. ;
de Palmai, F. ;
Desiante, R. ;
Digel, S. W. ;
Di Lalla, N. ;
Di Mauro, M. ;
Di Venere, L. ;
Drell, P. S. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, J. ;
Ferrara, E. C. ;
Fockes, W. B. ;
Franckowiak, A. ;
Fukazawa, Y. ;
Funk, S. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2017, 840 (01)
[4]   Design concepts for the Cherenkov Telescope Array CTA: an advanced facility for ground-based high-energy gamma-ray astronomy [J].
Actis, M. ;
Agnetta, G. ;
Aharonian, F. ;
Akhperjanian, A. ;
Aleksic, J. ;
Aliu, E. ;
Allan, D. ;
Allekotte, I. ;
Antico, F. ;
Antonelli, L. A. ;
Antoranz, P. ;
Aravantinos, A. ;
Arlen, T. ;
Arnaldi, H. ;
Artmann, S. ;
Asano, K. ;
Asorey, H. ;
Baehr, J. ;
Bais, A. ;
Baixeras, C. ;
Bajtlik, S. ;
Balis, D. ;
Bamba, A. ;
Barbier, C. ;
Barcelo, M. ;
Barnacka, A. ;
Barnstedt, J. ;
de Almeida, U. Barres ;
Barrio, J. A. ;
Basso, S. ;
Bastieri, D. ;
Bauer, C. ;
Becerra, J. ;
Becherini, Y. ;
Bechtol, K. ;
Becker, J. ;
Beckmann, V. ;
Bednarek, W. ;
Behera, B. ;
Beilicke, M. ;
Belluso, M. ;
Benallou, M. ;
Benbow, W. ;
Berdugo, J. ;
Berger, K. ;
Bernardino, T. ;
Bernloehr, K. ;
Biland, A. ;
Billotta, S. ;
Bird, T. .
EXPERIMENTAL ASTRONOMY, 2011, 32 (03) :193-316
[5]   Planck 2015 results XVII. Constraints on primordial non-Gaussianity [J].
Ade, P. A. R. ;
Aghanim, N. ;
Arnaud, M. ;
Arrojam, F. ;
Ashdown, M. ;
Aumont, J. ;
Baccigalupi, C. ;
Ballardini, M. ;
Banday, A. J. ;
Barreiro, R. B. ;
Bartolo, N. ;
Basak, S. ;
Battaner, E. ;
Benabed, K. ;
Benoit, A. ;
Benoit-Levy, A. ;
Bernard, J. -P. ;
Bersanelli, M. ;
Bielewicz, P. ;
Bock, J. J. ;
Bonaldi, A. ;
Bonavera, L. ;
Bond, J. R. ;
Borrill, J. ;
Bouchet, F. R. ;
Boulanger, F. ;
Bucher, M. ;
Burigana, C. ;
Butler, R. C. ;
Calabrese, E. ;
Cardoso, J. -F. ;
Catalano, A. ;
Challinor, A. ;
Chamballu, A. ;
Chiang, H. C. ;
Christensen, P. R. ;
Church, S. ;
Clements, D. L. ;
Colombi, S. ;
Colombo, L. P. L. ;
Combet, C. ;
Couchot, F. ;
Coulais, A. ;
Crill, B. P. ;
Curto, A. ;
Cuttaia, F. ;
Danese, L. ;
Davies, R. D. ;
Davis, R. J. ;
de Bernardis, P. .
ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2016, 594
[6]   A search for Secluded Dark Matter in the Sun with the ANTARES neutrino telescope [J].
Adrian-Martiez, S. ;
Albert, A. ;
Andre, M. ;
Anton, G. ;
Ardid, M. ;
Aubert, J. -J. ;
Avgitas, T. ;
Baret, B. ;
Barrios-Marti, J. ;
Basa, S. ;
Bertin, V. ;
Biagi, S. ;
Bormuth, R. ;
Bou-Cabo, M. ;
Bouwhuis, M. C. ;
Bruijn, R. ;
Brunner, J. ;
Busto, J. ;
Capone, A. ;
Caramete, L. ;
Carr, J. ;
Celli, S. ;
Chiarusi, T. ;
Circella, M. ;
Coleiro, A. ;
Coniglione, R. ;
Costantini, H. ;
Coyle, P. ;
Creusot, A. ;
Deschamps, A. ;
De Bonis, G. ;
Distefano, C. ;
Donzaud, C. ;
Dornic, D. ;
Drouhin, D. ;
Eberl, T. ;
El Bojaddaini, I. ;
Elsaesser, D. ;
Enzenhoefer, A. ;
Fehn, K. ;
Felis, I. ;
Fusco, L. A. ;
Galata, S. ;
Gay, P. ;
Geisselsoeder, S. ;
Geyer, K. ;
Giordano, V. ;
Gleixner, A. ;
Glotin, H. ;
Gracia-Ruiz, R. .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2016, (05)
[7]   Constraints on dark matter models from a Fermi LAT search for high-energy cosmic-ray electrons from the Sun [J].
Ajello, M. ;
Atwood, W. B. ;
Baldini, L. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bottacini, E. ;
Bouvier, A. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, P. A. ;
Cecchi, C. ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Cutini, S. ;
de Angelis, A. ;
de Palma, F. ;
Dermer, C. D. ;
Digel, S. W. ;
Silva, E. do Couto e ;
Drell, P. S. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, S. J. ;
Focke, W. B. ;
Fukazawa, Y. ;
Fusco, P. ;
Gargano, F. ;
Gehrels, N. ;
Germani, S. ;
Giglietto, N. ;
Giordano, F. ;
Giroletti, M. ;
Glanzman, T. ;
Godfrey, G. ;
Grenier, I. A. ;
Guiriec, S. ;
Gustafsson, M. .
PHYSICAL REVIEW D, 2011, 84 (03)
[8]   Results from a Search for Dark Matter in the Complete LUX Exposure [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bramante, R. ;
Bras, P. ;
Byram, D. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Chiller, A. A. ;
Chiller, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Faham, C. H. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Gehman, V. M. ;
Ghag, C. ;
Gibson, K. R. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. R. ;
Hanhardt, M. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Ihm, M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lee, C. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 118 (02)
[9]   The strangeness content of the nucleon from effective field theory and phenomenology [J].
Alarcon, J. M. ;
Geng, L. S. ;
Camalich, J. Martin ;
Oller, J. A. .
PHYSICS LETTERS B, 2014, 730 :342-346
[10]   Chiral representation of the πN scattering amplitude and the pion-nucleon sigma term [J].
Alarcon, J. M. ;
Camalich, J. Martin ;
Oller, J. A. .
PHYSICAL REVIEW D, 2012, 85 (05)