Prospects for discovering a neutrino line induced by dark matter annihilation

被引：30

作者：

El Aisati, Chaimae ^{[1
]}

Garcia-Cely, Camilo ^{[1
]}

Hambye, Thomas ^{[1
]}

Vanderheyden, Laurent ^{[1
]}

机构：

[1] Univ Libre Bruxelles, Serv Phys Theor, Blvd Triomphe,CP225, B-1050 Brussels, Belgium

来源：

JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS | 2017年 / 10期

关键词：

dark matter theory; neutrino theory; neutrino astronomy; neutrino detectors; RADIATIVE PROCESSES; SEESAW MECHANISM; GAMMA-RAYS; UNITARITY; SYMMETRY; MASS;

D O I：

10.1088/1475-7516/2017/10/021

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

In the near future, neutrino telescopes are expected to improve their sensitivity to the flux of monochromatic neutrinos produced by dark matter (DM) in our galaxy. This is illustrated by a new limit on the corresponding cross section that we derive from public IceCube data. In this context, we study which DM models could produce an observable flux of monochromatic neutrinos from DM annihilations. To this end, we proceed in two steps. First, within a set of simple and minimal assumptions concerning the properties of the DM particle, we determine the models that could give rise to a significant annihilation into monochromatic neutrinos at the freeze-out epoch. The list of models turns out to be very limited as a result of various constraints, in particular direct detection and neutrino masses at loop level. Given the fact that, even if largely improved, the sensitivities will be far from reaching the thermal annihilation cross section soon, a signal could only be observed if the annihilation into neutrinos today is boosted with respect to the freeze-out epoch. This is why, in a second step, we analyze the possibility of having such a large enhancement from the Sommerfeld effect. For each scenario, we also compute the cross sections into other annihilation products and confront our results with experimental constraints. We find that, within our simple and minimal assumptions, the expectation to observe monochromatic neutrinos is only possible in very specific scenarios. Some will be con firmed or excluded in the near future because they predict signals slightly below the current experimental sensitivities. We also discuss how these prospects change by relaxing our assumptions as well as by considering other types of sharp spectral features. For the latter, we consider boxed-shaped and bremsstrahlung spectra and provide the corresponding limits from IceCube data.

引用

页数：47

共 90 条

[1]

Aartsen MG, 2017, EUR PHYS J C, V77, DOI [10.1140/epjc/s10052-016-4582-y, 10.1140/epjc/s10052-016-3953-8]

[2] Multipole analysis of IceCube data to search for dark matter accumulated in the Galactic halo [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Brown, A. M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. ;

Clark, K. ;

Classen, L. ;

Clevermann, F. ;

Coenders, S. ;

Cowen, D. F. ;

Silva, A. H. Cruz ;

Danninger, M. ;

Daughhetee, J. .

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C, 2015, 75 (01) :1-16

[3] Atmospheric and astrophysical neutrinos above 1 TeV interacting in IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Bay, R. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Brown, A. M. ;

Buzinsky, N. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Cheung, E. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. ;

Clark, K. ;

Classen, L. ;

Clevermann, F. ;

Coenders, S. ;

Cowen, D. F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (02)

[4] Search for Dark Matter Annihilations towards the Inner Galactic Halo from 10 Years of Observations with HESS [J].

Abdallah, H. ;

Abramowski, A. ;

Aharonian, F. ;

Benkhali, F. Ait ;

Akhperjanian, A. G. ;

Anguener, E. ;

Arrieta, M. ;

Aubert, P. ;

Backes, M. ;

Balzer, A. ;

Barnard, M. ;

Becherini, Y. ;

Tjus, J. Becker ;

Berge, D. ;

Bernhard, S. ;

Bernloehr, K. ;

Birsin, E. ;

Blackwell, R. ;

Bottcher, M. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Bordas, P. ;

Bregeon, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bryan, M. ;

Bulik, T. ;

Capasso, M. ;

Carr, J. ;

Casanova, S. ;

Chakraborty, N. ;

Chalme-Calvet, R. ;

Chaves, R. C. G. ;

Chen, A. ;

Chevalier, J. ;

Chretien, M. ;

Colafrancesco, S. ;

Cologna, G. ;

Condon, B. ;

Conrad, J. ;

Couturier, C. ;

Cui, Y. ;

Davids, I. D. ;

Degrange, B. ;

Deil, C. ;

deWilt, P. ;

Djannati-Atai, A. ;

Domainko, W. ;

Donath, A. ;

Drury, L. O'C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2016, 117 (11)

[5] Search for Photon-Linelike Signatures from Dark Matter Annihilations with H.E.S.S. [J].

Abramowski, A. ;

Acero, F. ;

Aharonian, F. ;

Akhperjanian, A. G. ;

Anton, G. ;

Balenderan, S. ;

Balzer, A. ;

Barnacka, A. ;

Becherini, Y. ;

Tjus, J. Becker ;

Bernloehr, K. ;

Birsin, E. ;

Biteau, J. ;

Bochow, A. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Bordas, P. ;

Brucker, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bulik, T. ;

Carrigan, S. ;

Casanova, S. ;

Cerruti, M. ;

Chadwick, P. M. ;

Chaves, R. C. G. ;

Cheesebrough, A. ;

Colafrancesco, S. ;

Cologna, G. ;

Conrad, J. ;

Couturier, C. ;

Dalton, M. ;

Daniel, M. K. ;

Davids, I. D. ;

Degrange, B. ;

Deil, C. ;

deWilt, P. ;

Dickinson, H. J. ;

Djannati-Atai, A. ;

Domainko, W. ;

Drury, L. O'C. ;

Dubus, G. ;

Dutson, K. ;

Dyks, J. ;

Dyrda, M. ;

Egberts, K. ;

Eger, P. ;

Espigat, P. ;

Fallon, L. ;

Farnier, C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 110 (04)

[6] Updated search for spectral lines from Galactic dark matter interactions with pass 8 data from the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

Anderson, B. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bellazzini, R. ;

Bissaldi, E. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonino, R. ;

Bottacini, E. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caputo, R. ;

Caragiulo, M. ;

Caraveo, P. A. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Chiang, J. ;

Chiaro, G. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

D'Ammando, F. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Desiante, R. ;

Digel, S. W. ;

Di Venere, L. ;

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Drlica-Wagner, A. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Franckowiak, A. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (12)

[7] Fermi LAT search for dark matter in gamma-ray lines and the inclusive photon spectrum [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Brigida, M. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

A. Caliandro, G. ;

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. ;

D'Ammando, F. ;

de Palma, F. ;

Dermer, C. D. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

Edmonds, Y. ;

Essig, R. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Focke, W. B. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. ;

Gasparrini, D. ;

Germani, S. ;

Giglietto, N. ;

Giordano, F. ;

Giroletti, M. ;

Glanzman, T. ;

Godfrey, G. ;

Grenier, I. A. .

PHYSICAL REVIEW D, 2012, 86 (02)

[8] Search of dark matter annihilation in the galactic centre using the ANTARES neutrino telescope [J].

Adrian-Martinez, S. ;

Albert, A. ;

Andre, M. ;

Anton, G. ;

Ardid, M. ;

Aubert, J. -J. ;

Baret, B. ;

Barrios-Marti, J. ;

Basa, S. ;

Bertin, V. ;

Biagi, S. ;

Bogazzi, C. ;

Bormuth, R. ;

Bou-Cabo, M. ;

Bouwhuis, M. C. ;

Bruijn, R. ;

Brunner, J. ;

Busto, J. ;

Capone, A. ;

Caramete, L. ;

Carr, J. ;

Chiarusi, T. ;

Circella, M. ;

Coniglione, R. ;

Costantini, H. ;

Coyle, P. ;

Creusot, A. ;

Dekeyser, I. ;

Deschamps, A. ;

De Bonis, G. ;

Distefano, C. ;

Donzaud, C. ;

Dornic, D. ;

Drouhin, D. ;

Dumas, A. ;

Eberl, T. ;

Elsaesser, D. ;

Enzenhoefer, A. ;

Fehn, K. ;

Felis, I. ;

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Folger, F. ;

Fusco, L. A. ;

Galata, S. ;

Gay, P. ;

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Geyer, K. ;

Giordano, V. ;

Gleixner, A. ;

Gracia-Ruiz, R. .

JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2015, (10)

[9] Limits to dark matter annihilation cross-section from a combined analysis of MAGIC and Fermi-LAT observations of dwarf satellite galaxies [J].

Ahnen, M. L. ;

Ansoldi, S. ;

Antonelli, L. A. ;

Antoranz, P. ;

Babic, A. ;

Banerjee, B. ;

Bangale, P. ;

Barres de Almeida, U. ;

Barrio, J. A. ;

Gonzalez, J. Becerra ;

Bednarek, W. ;

Bernardinik, E. ;

Biasuzzi, B. ;

Biland, A. ;

Blanch, O. ;

Bonnefoy, S. ;

Bonnoli, G. ;

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Bretz, T. ;

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Carosi, A. ;

Chatterjee, A. ;

Clavero, R. ;

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Dazzi, F. ;

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JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2016, (02)

[10] Neutrinos from Inert Doublet dark matter [J].

Andreas, Sarah ;

Tytgat, Michel H. G. ;

Swillens, Quentin .

JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2009, (04)

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共 90 条

[1]

Aartsen MG, 2017, EUR PHYS J C, V77, DOI [10.1140/epjc/s10052-016-4582-y, 10.1140/epjc/s10052-016-3953-8]

[2] Multipole analysis of IceCube data to search for dark matter accumulated in the Galactic halo [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

Barwick, S. W. ;

Baum, V. ;

Beatty, J. J. ;

Tjus, J. Becker ;

Becker, K. -H. ;

BenZvi, S. ;

Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

Brown, A. M. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

Chirkin, D. ;

Christov, A. ;

Christy, B. ;

Clark, K. ;

Classen, L. ;

Clevermann, F. ;

Coenders, S. ;

Cowen, D. F. ;

Silva, A. H. Cruz ;

Danninger, M. ;

Daughhetee, J. .

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C, 2015, 75 (01) :1-16

[3] Atmospheric and astrophysical neutrinos above 1 TeV interacting in IceCube [J].

Aartsen, M. G. ;

Ackermann, M. ;

Adams, J. ;

Aguilar, J. A. ;

Ahlers, M. ;

Ahrens, M. ;

Altmann, D. ;

Anderson, T. ;

Arguelles, C. ;

Arlen, T. C. ;

Auffenberg, J. ;

Bai, X. ;

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Baum, V. ;

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Beatty, J. J. ;

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Becker, K. -H. ;

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Berghaus, P. ;

Berley, D. ;

Bernardini, E. ;

Bernhard, A. ;

Besson, D. Z. ;

Binder, G. ;

Bindig, D. ;

Bissok, M. ;

Blaufuss, E. ;

Blumenthal, J. ;

Boersma, D. J. ;

Bohm, C. ;

Bos, F. ;

Bose, D. ;

Boeser, S. ;

Botner, O. ;

Brayeur, L. ;

Bretz, H. -P. ;

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Buzinsky, N. ;

Casey, J. ;

Casier, M. ;

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Christov, A. ;

Christy, B. ;

Clark, K. ;

Classen, L. ;

Clevermann, F. ;

Coenders, S. ;

Cowen, D. F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (02)

[4] Search for Dark Matter Annihilations towards the Inner Galactic Halo from 10 Years of Observations with HESS [J].

Abdallah, H. ;

Abramowski, A. ;

Aharonian, F. ;

Benkhali, F. Ait ;

Akhperjanian, A. G. ;

Anguener, E. ;

Arrieta, M. ;

Aubert, P. ;

Backes, M. ;

Balzer, A. ;

Barnard, M. ;

Becherini, Y. ;

Tjus, J. Becker ;

Berge, D. ;

Bernhard, S. ;

Bernloehr, K. ;

Birsin, E. ;

Blackwell, R. ;

Bottcher, M. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Bordas, P. ;

Bregeon, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bryan, M. ;

Bulik, T. ;

Capasso, M. ;

Carr, J. ;

Casanova, S. ;

Chakraborty, N. ;

Chalme-Calvet, R. ;

Chaves, R. C. G. ;

Chen, A. ;

Chevalier, J. ;

Chretien, M. ;

Colafrancesco, S. ;

Cologna, G. ;

Condon, B. ;

Conrad, J. ;

Couturier, C. ;

Cui, Y. ;

Davids, I. D. ;

Degrange, B. ;

Deil, C. ;

deWilt, P. ;

Djannati-Atai, A. ;

Domainko, W. ;

Donath, A. ;

Drury, L. O'C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2016, 117 (11)

[5] Search for Photon-Linelike Signatures from Dark Matter Annihilations with H.E.S.S. [J].

Abramowski, A. ;

Acero, F. ;

Aharonian, F. ;

Akhperjanian, A. G. ;

Anton, G. ;

Balenderan, S. ;

Balzer, A. ;

Barnacka, A. ;

Becherini, Y. ;

Tjus, J. Becker ;

Bernloehr, K. ;

Birsin, E. ;

Biteau, J. ;

Bochow, A. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Bordas, P. ;

Brucker, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bulik, T. ;

Carrigan, S. ;

Casanova, S. ;

Cerruti, M. ;

Chadwick, P. M. ;

Chaves, R. C. G. ;

Cheesebrough, A. ;

Colafrancesco, S. ;

Cologna, G. ;

Conrad, J. ;

Couturier, C. ;

Dalton, M. ;

Daniel, M. K. ;

Davids, I. D. ;

Degrange, B. ;

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Djannati-Atai, A. ;

Domainko, W. ;

Drury, L. O'C. ;

Dubus, G. ;

Dutson, K. ;

Dyks, J. ;

Dyrda, M. ;

Egberts, K. ;

Eger, P. ;

Espigat, P. ;

Fallon, L. ;

Farnier, C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 110 (04)

[6] Updated search for spectral lines from Galactic dark matter interactions with pass 8 data from the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

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Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bellazzini, R. ;

Bissaldi, E. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

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Claus, R. ;

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Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

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Desiante, R. ;

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Drlica-Wagner, A. ;

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Franckowiak, A. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (12)

[7] Fermi LAT search for dark matter in gamma-ray lines and the inclusive photon spectrum [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Brigida, M. ;

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Charles, E. ;

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Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

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Conrad, J. ;

D'Ammando, F. ;

de Palma, F. ;

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Drell, P. S. ;

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Edmonds, Y. ;

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Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

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Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. ;

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Germani, S. ;

Giglietto, N. ;

Giordano, F. ;

Giroletti, M. ;

Glanzman, T. ;

Godfrey, G. ;

Grenier, I. A. .

PHYSICAL REVIEW D, 2012, 86 (02)

[8] Search of dark matter annihilation in the galactic centre using the ANTARES neutrino telescope [J].

Adrian-Martinez, S. ;

Albert, A. ;

Andre, M. ;

Anton, G. ;

Ardid, M. ;

Aubert, J. -J. ;

Baret, B. ;

Barrios-Marti, J. ;

Basa, S. ;

Bertin, V. ;

Biagi, S. ;

Bogazzi, C. ;

Bormuth, R. ;

Bou-Cabo, M. ;

Bouwhuis, M. C. ;

Bruijn, R. ;

Brunner, J. ;

Busto, J. ;

Capone, A. ;

Caramete, L. ;

Carr, J. ;

Chiarusi, T. ;

Circella, M. ;

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Coyle, P. ;

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Dekeyser, I. ;

Deschamps, A. ;

De Bonis, G. ;

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Donzaud, C. ;

Dornic, D. ;

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Dumas, A. ;

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Fermani, P. ;

Folger, F. ;

Fusco, L. A. ;

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Geyer, K. ;

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Gracia-Ruiz, R. .

JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2015, (10)

[9] Limits to dark matter annihilation cross-section from a combined analysis of MAGIC and Fermi-LAT observations of dwarf satellite galaxies [J].

Ahnen, M. L. ;

Ansoldi, S. ;

Antonelli, L. A. ;

Antoranz, P. ;

Babic, A. ;

Banerjee, B. ;

Bangale, P. ;

Barres de Almeida, U. ;

Barrio, J. A. ;

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Biasuzzi, B. ;

Biland, A. ;

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Colin, P. ;

Colombo, E. ;

Contreras, J. L. ;

Cortina, J. ;

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Da Vela, P. ;

Dazzi, F. ;

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Delgado Mendez, C. ;

Di Pierro, F. ;

Dominis Prester, D. ;

Dorner, D. ;

Doro, M. ;

Einecke, S. ;

Eisenacher Glawion, D. ;

Elsaesser, D. ;

Fernandez-Barral, A. ;

Fidalgo, D. ;

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Frantzen, K. ;

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