Модели скрытой массы с барионоподобным пространственным распределением для объяснения избытков заряженных частиц в космических лучах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Соловьев Максим Леонидович

• Соловьев Максим Леонидович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Соловьев Максим Леонидович

Введение

1 Избыток позитронов в космических лучах

Введение

Методология

Применение модели «темного диска» для объяснения Позитронной аномалии в

результатах эксперимента ЛМ8-02

1 Учет гамма-излучения из Галактического центра

2 Учет данных ЛМБ-02 на энергиях до 500 ГэВ

3 Рассмотрение модели скрытой массы с каскадным процессом аннигиляции

4 Модель скрытой массы с дополнительным

кварковым каналом аннигиляции и учет данных по доле антипротонов

ЭЛМРЕ

1 Случай гало для моделей ТМ с прямым процессом аннигиляции

2 Случай гало для моделей ТМ с каскадным процессом аннигиляции

3 Случай диска

4 Галактический центр и сравнение аннигиляции и распада

5 Кварковые каналы реакции

Усиления противоречия при обновлении

экспериментальных данных

ЛМБ-02 и РегшьЬЛТ

Заключение

2 Модель скрытой массы с барионоподобным пространственным распределением

Кольцевое приближение

Приближение одного спирального рукава

Заключение

3 Возможные наблюдательные эффекты в гамма-излучении

от скрытой массы галактики М31

Введение

Потоки прямого гамма-излучения от скрытой массы, распределенной

в диске

Анизотропия вторичного гамма-излучения

1 Двухмерная модель

2 Трехмерная модель

2.1 Случай диска

Заключение

Заключение

Публикации по материалам диссертации

Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели скрытой массы с барионоподобным пространственным распределением для объяснения избытков заряженных частиц в космических лучах»

Введение

Скрытая масса (или, по-другому, темная материя) - одна из основных загадок современной физики. Некая неизвестная нам форма небарионной материи, предложенная в качестве объяснения кривых вращения и скоростей галактик в скоплениях и ныне являющаяся одним из ключевых элементов стандартной космологической ACDM-модели (с краткой историей возникновения и развития гипотезы а также ее основными проблемами можно ознакомиться в работе [1]). На ее существование указывают спектр микроволнового фона, скорость формирования крупномасштабных структур в ранней Вселенной, наблюдаемая плоскостность пространства и наблюдения по гравитационному линзированию.

Однако, несмотря на многие теоретические достижения, гипотеза о существовании скрытой массы имеет свои недостатки. Среди них - проблемы пиков плотности и дефицита карликовых галактик [2]; практическое отсутствие каких-либо данных о ее природе и свойствах, в том числе отсутствие результатов в экспериментах по ее прямому детектированию.

Основной альтернативой скрытой массе являются модели модифицированной ньютоновской динамики, MOND (также обсуждаемые в работе [1]). Первоначальной целью данных моделей являлось объяснение аномальных кривых вращения и скоростей галактик без "добавления новых сущностей". Достичь этого предлагалось с помощью модификации поведения Ньютоновского закона гравитации для больших расстояний между гравитирующими объектами. Оправданность подобной модификации объяснялась отсутствием прямых экспериментальных данных на подобных масштабах расстояний и соответствующих им масштабам ускорений. Однако подобные модели несовместимы с Общей Теорией Относительности, которая находит многочисленные подтверждения в наблюдениях и чьим нерелятивистским слабополевым пределом является стандартная Ньютоновская гравитация. Предпринимаются попытки создания релятивистского расширения MOND как альтернативы ОТО и объяснения на-

блюдательных явлений вне Ньютоновской физики (см, например, обзор [3]). В этой области были достигнуты определенные успехи. Кроме того, согласно работе [4] наблюдательные данные по кривым вращения могут указывать на действие эффекта внешнего поля (EFE), являющегося уникальным следствием теорий модифицированной гравитации. Однако до сих пор не существует единого подхода к разработке этого релятивистского расширения, а объяснения различных наблюдательных эффектов осуществляется в рамках различных модификаций модели. Более того, часть таких модификаций требует введения дополнительных массивных частиц в дополнение к модификации закона гравитации. Также существуют исследования, утверждающие, что даже в описании кривых вращения галактик модели MOND не являются предпочтительными [5; 6].

Таким образом, изучение скрытой массы остается актуальной и важной задачей современной физики. Однако она осложняется тем, что, несмотря на многочисленные исследования, природа этого феномена так и остается неизвестной.

Одним из первых предположений о происхождении скрытой массы была гипотеза о MACHO - массивных астрофизических компактных объектах в гало. Это массивные объекты, подобные звездам и планетам, но слишком тусклые для обнаружения их телескопами. Однако оценки плотности барионной материи по микроволновому фону и наблюдаемое количество событий гравитационного микролинзирования, в которых подобные объекты играют роль линз, указывают на то, что MACHO не могут составлять большую часть скрытой массы (см [1]).

Еще одним кандидатом на роль скрытой массы являются первичные черные дыры. В отличие от черных дыр астрофизического происхождения, первичные образуются на самых ранних этапах жизни Вселенной. Если такие ПЧД формируются до нуклеосинтеза и имеют подходящие массы, выводящие их из области чувствительности микролинзирования, то они могут обходить ограничения, наложенные на объекты MACHO. Кроме того, потенциально они могут являться источником сигнала гравитационных волн, наблюдаемых LIGO, и быть зародышами сверхмассивных черных дыр, чья скорость формирования необычна для аккреции вещества на черные дыры астрофизического происхождения. Однако существует целый ряд других наблюдательных явлений, на-

кладывающих ограничения на вклад ПЧД в скрытую массу [7]. Суммарно эти ограничения практически исключают возможность объяснения скрытой массы с помощью черных, оставляя доступными лишь пару узких спорных диапазонов масс. Однако все еще остается возможность, что части ограничений можно избежать с помощью специфического распределения масс ПЧД [7] или предположения о том, что ПЧД рождаются не поодиночке, а в кластерах [8].

Наиболее популярной гипотезой, однако, является предположение о том, что скрытая масса состоит из частиц. Первым предложенным кандидатом в рамках такой гипотезы были нейтрино, которые, казалось, идеально подходили на эту роль. Однако ввиду своей малой массы, реликтовые нейтрино долгое время остаются релятивистскими, попадая в категорию так называемой горячей скрытой массы, которая исключена по наблюдениям за формированием крупномасштабных структур Вселенной. В связи с отсутствием других подходящих кандидатов в рамках Стандартной Модели физики частиц, данный класс гипотез предполагает существование новых, еще неизвестных видов частиц, которые могли бы объяснить феномен скрытой массы. Например, стерильных нейтрино - тяжелых нейтрино-подобных частиц, которые не попадают под ограничение по крупномасштабным структурам, что позволяет с их помощью пытаться объяснить скрытую массу, а также некоторые другие наблюдаемые в космологии и нейтринной физики явления. Или аксионов - чрезвычайно легких частиц, которые, однако, рождаются сразу нерелятивистскими и, как предполагается, могут производиться во многих процессах в ранней Вселенной. Свои кандидаты на роль скрытой массы предлагаются также расширениями Стандартной Модели, такими как SUSY, и теориями многомерной гравитации. Они и подобные им массивные слабовзаимодействующие частицы образуют класс вимпов (WIMP, Weakly Intercating Massive Particle), на данный момент являющийся наиболее многообещающим кандидатом в скрытую массу. Вышеописанные классы частиц и связанная с ними физика обширно обсуждаются в обзоре [9]. Существуют и более экзотические модели, например, модель SIMP (Strongly Interacting Massive Particle), в рамках которой новые частицы могут обладать достаточно сильным собственным взаимодействием [10], или даже модели частиц с классическим электрическим зарядом, способные за его счет образовывать нейтральные атомоподобные образования и оставаться "скрытыми"[11].

Окончательно поставить точку в вопросе о скрытой массе могло бы ее

прямое детектирование. Однако, прямое наблюдение черных дыр до недавнего времени было в принципе недоступно, а сейчас является чрезвычайно сложной технической задачей. Таким образом, доступными для прямого поиска остаются только кандидаты-частицы. Экспериментальные данные в физике нейтрино содержат аномалии, указывающие на возможное существование стерильных нейтрино. На их изучение направлено несколько экспериментов, но их результаты зачастую имеют низкую достоверность или противоречат друг-другу и ограничениям по космологии (см., например, [12; 13]). В 2020 году были опубликованы результаты обработки данных к тому моменту остановленного эксперимента ХЕКОШТ, в которых также наблюдается аномалия [14]. В качестве одной из вероятных причин называют сигнал от аксионов [15], однако предполагаются и другие, например, загрязнение детектора [16]. Поиски вимпов также дают неоднозначные результаты. Знаменит эксперимент ОЛМЛ/ЫБКЛ, в результатах которого наблюдаются годичные модуляции сигналов, предсказываемые для рассеяния тяжелых частиц на ядрах мишени вследствие различия энергии соударения из-за изменения скорости Земли относительно центра Галактики в течение года. Однако эти данные не подтверждаются другими похожими экспериментами. В основном же, поиски вимпов на данный момент не приносят результатов и позволяют лишь устанавливать ограничения на их свойства. Однако эти ограничения являются модельно-зависимыми, вследствие чего они хоть и позволяют исключить отдельные модели вимпов, но могут быть обойдены другими за счет предполагаемых в них особенностей взаимодействия частиц скрытой массы с обычным веществом. Подробнее про прямое детектирование вимпов можно прочесть в лекциях [17].

Таким образом, в связи с отсутствием подтвержденных данных о прямом экспериментальном детектировании скрытой массы ее изучение по возможным косвенным эффектам остается весьма актуальным. Более того, в астрофизике и космологии есть целый ряд наблюдаемых явлений и аномалий, не имеющих общепризнанного объяснения, которые могли бы быть обусловлены физикой скрытой массы. Одним из самых ярких примеров является избыток позитронов в космических лучах (КЛ) [18; 19], известный также как позитронная аномалия, речь о которой пойдет в следующей части данной работы. В наблюдаемом спектре антипротонов в КЛ также есть указания на возможный избыток [20], который, однако, может быть следствием недооценки фона и погрешностей из-

мерений [21; 22]. Наблюдаются также аномалии в гамма-излучении из Галактического Центра - избытки в 511-кэВ-ной линии [23] и в области энергий порядка ГэВ-ов [24].

Помимо попыток объяснения уже наблюдаемых аномалий, возможно также проводить целенаправленный поиск на существующих или будущих экспериментах определенных косвенных эффектов, предсказываемых в рамках моделей скрытой массы. Например, распад или аннигиляция частиц скрытой массы на частицы СМ, обладающие электрическим зарядом, будет также производить сопутствующее гамма-излучение, которое можно искать в виде точечных (реакции в сгустках скрытой массы в нашей Галактике) [25] или протяженных источников (реакции в гало других галактик) [26]. Похожие поиски возможны и с помощью нейтринных телескопов [27]. Существуют и более экзотические предсказания. Например, если кластеры первичных черных дыр могут служить причиной образования стабильных горячих областей в ранней Вселенной, отцепившихся от космологического расширения, то при определенных условиях в подобных областях может образоваться аномальный химический состав [28], за счет которого их можно будет искать.

Целью работы является разработка оптимальной модели для объяснения избытков заряженных частиц в космических лучах, не вступающей в противоречие с данными по фону гамма-излучения за счет использования специально подобранного пространственного распределения скрытой массы. Задачи

• Разработка оптимальной модели скрытой массы для объяснения избытков заряженных частиц в космических лучах.

• Разработка метода проверки моделей нестабильной скрытой массы на основе эффектов в гамма-излучении от галактики М31 Туманность Андромеды.

Положения, выносимые на защиту

• Поставленные ограничения на область применимости модифицированной модели темного диска

• Разработанная модель скрытой массы с барионоподобным пространственным распределением для объяснения позитронной аномалии в космических лучах

• Методика проверки модели диска на основе анизотропии вторичного гамма-излучения от галактики М31 Туманность Андромеды

Научная новизна

• Разработан ряд модификаций модели «темного диска» с целью улучшения качества описания спектров заряженных частиц в космических лучах. Показано, что наилучшие результаты достигаются для модификации с каскадными процессами аннигиляции/распада частиц скрытой массы, позволяющей решить выявленную для модели диска проблему с описанием низкоэнергетической части спектра позитронов.

• Впервые показано, что обновление экспериментальных данных приводит к усилению противоречия с гамма-фоном в рамках моделей скрытой массы, объясняющих избытки заряженных частиц в космических лучах. В случае позитронной аномалии подавления гамма-излучения за счет использования модифицированной модели «темного диска» становится недостаточно, что делает невозможным ее дальнейшее применение для объяснения этих результатов.

• Впервые предложена модель скрытой массы с барионоподобным пространственным распределением в виде спиральных рукавов. Разработано два приближения такой модели - модель концентрических колец и одного произвольного спирального рукава. Показано, что использование этих приближений позволяет существенно снизить противоречие с гамма-фоном по сравнению с моделью диска при схожем описании позитронной аномалии.

• Впервые рассмотрена возможность проверки моделей скрытой массы, используемых для объяснения избытков заряженных частиц в нашей галактике, на основе гамма-излучения от галактики М31 Туманность Андромеды. Показано, что для модели «темного диска» ожидается анизотропия во вторичном гамма-излучении в области высоких энергий, отсутствующая в модели гало.

Практическая значимость

В работе демонстрируется эффективность изменения пространственного распределения скрытой массы для обхода противоречия с данными по гамма-фону, необходимого для объяснения ПА без привлечения модели сгустков. В ней

была отработана методика анализа моделей распадающейся или аннигилирующей скрытой массы с различными каналами реакции и профилями плотности на предмет возможности описания избытков заряженных частиц в космических лучах с учетом ограничений по гамма-излучению, которая в более общем случае может быть также применена к другим источникам частиц с непрерывным пространственным распределением. В работе также описаны выявленные недостатки модели темного диска, основывающейся на данном методе, такие как сложность описания низких энергий и ухудшение результатов из-за уточнения старых и появления новых экспериментальных данных. В качестве возможного решения последней предложена модель скрытой массы, распределенной в спиральных рукавах.

Адаптация используемой методологии для случая галактики М31 позволяет расширить область исследований на новые, потенциально доступные для наблюдения, косвенные эффекты скрытой массы. Несмотря на то, что рассмотренные в данной работе эффекты оказались малы, остается потенциал для их проявления при использовании других диапазонов параметров. Достоверность

Достоверность работы обеспечивается использованием хорошо известных и проверенных программных пакетов СЛЬРИОР и РуШа [29; 30], методологии, основывающейся на пионерских работах по темному диску [31—33], и согласии с экспериментальными данными [19; 34]. Личный вклад автора

• проведен анализ возможности описания позитронной аномалии в данных ЛМБ-02 и избытка электронов и позитронов в диапазоне энергий от 10 ГэВ до 2 ТэВ в данных эксперимента ЭЛМРЕ без противоречия с ограничением по космическому гамма-фону в рамках различных модификаций модели темного диска;

• предложена модель концентрических колец скрытой массы как первого приближения модели спиральных рукавов ТМ;

• предложены профили плотности скрытой массы для моделей концентрических колец и одного спирального рукава с произвольным количеством оборотов вокруг Галактического Центра

• на основе используемой для нашей Галактики методологии, разработан

собственный алгоритм расчета гамма-излучения для Туманности Андромеды и с его помощью проведены оценки первичной и вторичной компонент этого излучения.

Аппробация

• XIV Курчатовская молодежная научная школа, 8-11 ноября 2016

• Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2017», 10 - 14 апреля 2017

• The 3rd international conference on particle physics and astrophysics (ICCPA -

2017), 2-5 октября 2017

• XV Курчатовская молодежная научная школа, 14 - 17 ноября 2017

• VII межинститутская молодёжная конференция «Физика элементарных частиц и космология 2018», 9-10 апреля 2018

• IV international conference on particle physics and astrophysics (ICPPA -

2018), 22-26 октября 2018

• 23rd International Workshop «What Comes Beyond the Standard Models», 6 - 10 июля 2020 (онлайн)

• Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2021», 13-23 апреля 2021

• 6th International Conference on Particle Physics and Astrophysics (ICPPA -2022), 29 ноября - 2 декабря 2022

• 26th International workshop «What comes beyond the standard models», 1018 июля 2023 (онлайн)

Публикации по теме диссертации

• [D1] ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ ОТ ДИСКА СКРЫТОЙ МАССЫ // Ядерная физика и инжиниринг. — 2017. — Т. 8. (РИНЦ, ВАК)

• [D2] Gamma-rays from possible disk component of dark matter //J. Phys. Conf. Ser. — 2017. — Vol. 798, no. 1. — P. 012084 (Scopus, Q4)

• [D3] Development of dark disk model of positron anomaly origin // Int. J. Mod. Phys. — 2018. — Vol. D27, no. 06. — P. 1841010 (Scopus Q2)

• [D4] Studying the possibility of FSR suppression in DM decay in dependence of the mass of intermediate particle and vertex //J. Phys. Conf. Ser. — 2019.

— Vol. 1390. — P. 012096 (Scopus, Q4)

• [D5] The DAMPE excess and gamma-ray constraints // Phys. Dark Universe.

— 2019. — Vol. 26. — P. 100333. (Scopus, Q1)

• [D6] Indirect effects of dark matter // Int. J. Mod. Phys. D. — 2019. — Vol. 28, no. 13. — P. 1941011 (Scopus, Q2)

• [D7] Cosmic Gamma Ray Constraints on the Indirect Effects of Dark Matter // Particles. — 2020. — Vol. 3, no. 2. — P. 336- 344. (Web of Science)

• [D8] The "Dark disk" model in the light of DAMPE experiment// Bled Workshops in Physics. — 2020. — Vol. 21, no. 2. — P. 156-161. — arXiv: 2011.04425 [astro-ph.HE]. (Scopus)

• [D9] Theoretical indication of a possible asymmetry in gamma-radiation between Andromeda halo hemispheres due to Compton scattering on electrons from their hypothetical sources in the halo// Bled Workshop in Phyics - 2020. -Vol. 21, no. 2 - P.97-104 - arXiv: 2011.04689 [astro-ph.HE]. (Scopus)

• [D10] Mechanisms of Cosmic Ray Generation // Phys. At. Nucl. — 2022. — Vol. 85, no. 1 (Scopus, Q4)

• [D11] Modified Dark Matter Spatial Distribution as Solution to Positron Anomaly Gamma-Ray Problem// Phys. At. Nucl. — 2023 — Vol. 86, no. 4 (Scopus, Q4)

Структура

В главе 1 рассматривается возможность объяснения избытка позитронов в космических лучах без противоречия с данными по гамма-излучению; в первом разделе - позитронной аномалии в данных AMS-02, во втором - потенциального широкого избытка космических электронов и позитронов в данных DAMPE, в третьем обсуждается значительное усиление противоречия для случая AMS-02 при учете последних экспериментальных данных по доле позитронов и фону гамма-излучения. В главе 2 посвящена разработке новой модели,

имеющей более сложное пространственное распределение скрытой массы для нивелирования этого противоречия. В качестве такого распределения предложены спиральные рукава, аналогичные структуре барионов нашей Галактики. В первой части рассмотрено первое техническое приближение - модель скрытой массы с распределением в виде концентрических колец; во второй - модель одного спирального рукава с произвольным количеством оборотов вокруг Галактического Центра. Глава 3 посвящена поиску потенциальных эффектов в гамма-излучении от галактики М31 Туманность Андромеды.

1 Избыток позитронов в космических лучах

Введение

Согласно классическим представлениям о механизмах образования космического излучения, космические позитроны имеют вторичное происхождение, т.е. они рождаются при взаимодействии других высокоэнергетических частиц с межзвездной средой. В связи с этим ожидалось, что их спектр и доля в общем потоке электронов должны падать с увеличением энергии. Однако, в 2008 году на эксперименте PAMELA был зарегистрирован рост доли позитронов от общего потока электронов и позитронов, начинающийся на энергиях порядка 10 ГэВ [35]. В дальнейшем это наблюдение было подтверждено на экспериментах AMS-02 и Fermi-LAT [19; 36], и, согласно современным данным, аномальный избыток позитронов в космических лучах, получивший наименование «позитронная аномалия», тянется как минимум до энергии порядка 1 ТэВ 1. Немного в стороне стоят недавние результаты эксперимента DAMPE [37], представляющие из себя измерения общего потока электронов и позитронов. Основное внимание привлечено к точке данных при энергии 1.4 ТэВ, немного «выпадающей» из общего поведения, однако существуют и работы, рассматривающие широкий избыток частиц в диапазоне энергий от десятка ГэВ до двух ТэВ.

На данный момент позитронная аномалия не имеет общепризнанного объяснения. Его поиск ведется в рамках двух основных подходов. Согласно первому, позитроны все еще имеют сугубо вторичное происхождение, а их «аномальный» избыток в КЛ вызван более сложной, нежели в классических представлениях, конфигурацией межзвездной среды и ее свойств, которую и следует искать [38]. Рассматривались различные конфигурации, например модели двухзонной и неоднородной диффузии [39; 40]. Такие модели позволяли хорошо описывать многие наблюдательные характеристики КЛ, такие как поток

1 Текущие неопределенности в данных высокоэнергетической части спектра не позволяют с уверенностью говорить о верхней энергетической границе явления - избыток может как сходить на нет при 900 ГэВ, так и тянутся намного дальше.

антипротонов, отношение антипротонов к протонам, анизотропии, отношение

о

^ и другие, однако одновременно не могли справиться с полным описанием доли позитронов. Попытаться решить эту проблему без привлечения источника первичных позитронов можно, добавив новый локальный источник протонов. Таким источником может быть близкий взрыв сверхновой 2-3 миллиона лет назад [41], который позволил бы описать не только долю позитронов, но и целый ряд других наблюдений. Однако существуют опровергающие этот подход исследования, в которых утверждается, что добавление подобных источников КЛ недостаточно [42].

Второй подход основывается на предположении о том, что должен существовать какой-то ранее неизвестный источник первичных позитронов, ответственный за их аномальный избыток в космических лучах. Одним из самых популярных кандидатов в такие источники являются пульсары, процессы в сильных магнитных полях которых, как предполагается, способны приводить к образованию высокоэнергетических позитронов [43]. Такие частицы при этом должны активно терять энергию на тормозное излучение и обратное компто-новское рассеяние, создавая вокруг пульсара ореол из гамма-излучения. Отсутствие наблюдений подобных ореолов долгое время было одним из основных аргументов против этой гипотезы. Однако в 2017 году экспериментом HAWC были обнаружены гамма-ореолы двух ближайших к Солнечной системе пульсаров [44]. Однако их наблюдаемые характеристики требовали для своего объяснения аномально низкую скорость диффузии, в предположении о ее независимости от координат приводящую к невозможности объяснить позитронную аномалию. В ответ был высказан аргумент, что зона медленной диффузии, скорее всего, локализована в некоторой малой области вокруг порождающего ее пульсара, в то время как Земля находится в области с нормальной диффузией. Применение подобных двухзонных моделей диффузии позволяло объяснить аномалию с помощью пульсаров[45; 46]. Однако существуют исследования, подвергающие сомнению и критике этот вывод, например, из-за отсутствия наблюдений гамма-ореола в более низком диапазоне энергий [47].

Основной альтернативой пульсарам на роль источника первичных позитронов является гипотеза о скрытой массе, состоящей из неизвестных на данный момент частиц, способных распадаться или аннигилировать с образованием позитронов в конечном состоянии. В рамках этой гипотезы также существует

два подхода к решению проблемы позитронной аномалии. Согласно первому (применяемому, в основном, к выпавшей точке DAMPE), сигнал в позитронах КЛ полностью создается близким локальным источником (или группой таковых) - ультра-компактным массивным субгало скрытой массы или, по-другому, клампом или сгустком [48]. В подобных моделях предполагается, что вся скрытая масса способна аннигилировать (или распадаться), но с достаточно малым сечением процесса (большим временем жизни частиц), что позволяет ей проходить под поставленные на эти величины наблюдательные ограничения. Сигнал же создается за счет малой части общего гало скрытой массы Галактики, образовавшей субгало - сгусток малого размера с увеличенной по сравнению с окружающим пространством концентрацией частиц. В случае, если такой сверхплотный сгусток скрытой массы расположен достаточно близко к Солнечной системе, то он может давать заметный сигнал в космических лучах и объяснять некоторые аномалии в наблюдениях. Однако, так как в самом процессе распада или аннигиляции частиц скрытой массы из-за наличия заряженных частиц в конечном состоянии за счет эффекта излучения конечного состояния (final-state radiation, FSR) производится сопутствующее гамма-излучение, то подобные клампы будут являться точечными гамма-источниками, причем чувствительности современных гамма-телескопов должно хватать для их обнаружения. И серьезной проблемой для модели клампов является отсутствие их наблюдения [49]. Однако существует возможность того, что один из обнаруженных, но не идентифицированных точечных гамма-источников из каталогов гамма-телескопов на самом деле является клампом [50]. Или что кламп не является таким компактным, имея более протяженный в пространстве профиль плотности, за счет чего и не может быть зарегистрирован гамма-телескопами

[51].

В рамках второго похода избыток заряженных частиц в КЛ объясняется с помощью протяженного, а не близкого локального источника. Обычно в качестве такого протяженного источника рассматривают все гало скрытой массы Галактики ([52], для примера). Подобные модели позволяют хорошо описывать широкие избытки заряженных частиц в КЛ и в целом кажутся более правдоподобными по сравнению с клампами в связи с отсутствием таких «подгоночных» параметров, как расстояние до клампа. Однако они подвержены целому ряду ограничений. Например, из-за малой плотности ТМ и высоких энергетических

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Соловьев Максим Леонидович, 2023 год

Список использованных источников

1. Bertone G., Hooper D. History of dark matter // Reviews of Modern Physics. — 2018. — Vol. 90, no. 4. — P. 045002. — arXiv: 1605.04909 [astro-ph.CO].

2. Weinberg D. H. [et al.]. Cold dark matter: Controversies on small scales // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2015. — Vol. 112, no. 40. —P. 12249-12255. —eprint: https://www.pnas.org/doi/pdf/ 10.1073/pnas.1308716112.

3. Milgrom M. MOND theory // Can. J. Phys. — 2015. — Vol. 93, no. 2. — P. 107-118. — arXiv: 1404.7661 [astro-ph.CO].

4. Chae K.-H. [et al.]. Testing the Strong Equivalence Principle. II. Relating the External Field Effect in Galaxy Rotation Curves to the Large-scale Structure of the Universe // Astrophys. J. — 2021. — Vol. 921, no. 2. — P. 104. — arXiv: 2109.04745 [astro-ph.GA].

5. Lisanti M. [et al.]. Testing Dark Matter and Modifications to Gravity using Local Milky Way Observables // Phys. Rev. D. — 2019. — Vol. 100, no. 8. — P. 083009. — arXiv: 1812.08169 [astro-ph.GA].

6. Loizeau N., Farrar G. R. Galaxy Rotation Curves Disfavor Traditional and Self-interacting Dark Matter Halos, Preferring a Disk Component or Einasto Function // ApJ. — 2021. — Vol. 920, no. 1. — P. L10. — arXiv: 2105. 00119 [astro-ph.GA].

7. Carr B., Kuhnel F. Primordial Black Holes as Dark Matter Candidates // Les Houches summer school on Dark Matter. —2021. —arXiv: 2110.02821 [astro-ph.CO].

8. Belotsky K. M. [et al.]. Clusters of primordial black holes // Eur. Phys. J. C. — 2019. — Vol. 79, no. 3. — P. 246. — arXiv: 1807 . 06590 [astro-ph.CO].

9. Alekhin S. [et al.]. A facility to search for hidden particles at the CERN SPS: the SHiP physics case // Reports on Progress in Physics. — 2016. — Vol. 79, no. 12. — P. 124201. — arXiv: 1504.04855 [hep-ph].

10. Hochberg Y. [et al.]. Mechanism for Thermal Relic Dark Matter of Strongly Interacting Massive Particles // Phys. Rev. Lett. — 2014. — Vol. 113. — P. 171301. — arXiv: 1402.5143 [hep-ph].

11. Khlopov M. Y, Mayorov A. G, Soldatov E. Y. The dark atoms of dark matter // Prespace. J. — 2010. — Vol. 1. — P. 1403-1417. — arXiv: 1012.0934 [astro-ph.CO].

12. Berryman J. M. [et al.]. Statistical significance of the sterile-neutrino hypothesis in the context of reactor and gallium data // JHEP. — 2022. — Vol. 02. — P. 055. — arXiv: 2111.12530 [hep-ph].

13. Danilov M. Review of sterile neutrino searches at very short-baseline reactor experiments. — 2022. — arXiv: 2203.03042 [hep-ex].

14. Aprile E. [et al.]. Excess electronic recoil events in XENON1T // Phys. Rev. D. — 2020. — Vol. 102, no. 7. — P. 072004. — arXiv: 2006.09721 [hep-ex].

15. Kannike K. [et al.]. Dark Matter and the XENON1T electron recoil excess // Phys. Rev. D. — 2020. — Vol. 102, no. 9. — P. 095002. — arXiv: 2006.10735 [hep-ph].

16. Robinson A. E. XENON1T observes tritium. — 2020. — arXiv: 2006.13278 [hep-ex].

17. Cooley J. Dark Matter Direct Detection of Classical WIMPs // Les Houches summer school on Dark Matter. — 2021. — arXiv: 2110.02359 [hep-ph].

18. Adriani O. [et al.]. An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100 GeV // Nature. — 2009. — Vol. 458.

19. Aguilar M. [et al.]. First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-350 GeV // Phys. Rev. Lett. — 2013. — Vol. 110. — P. 141102.

20. Giesen G. [et al.]. AMS-02 antiprotons, at last! Secondary astrophysi-cal component and immediate implications for Dark Matter // JCAP. — 2015. — Vol. 09. — P. 023. — arXiv: 1504.04276 [astro-ph.HE].

21. Boudaud M. [et al.]. AMS-02 antiprotons' consistency with a secondary astrophysical origin // Phys. Rev. Res. — 2020. — Vol. 2, no. 2. — P. 023022. — arXiv: 1906.07119 [astro-ph.HE].

22. Heisig J., Korsmeier M., Winkler M. W. Revisiting the AMS-02 antiproton excess: The role of correlated errors // PoS. — 2021. — Vol. ICRC2021. — P. 575. — arXiv: 2107.14606 [astro-ph.HE].

23. Siegert T. [et al.]. Gamma-ray spectroscopy of Positron Annihilation in the Milky Way // Astron. Astrophys. — 2016. — Vol. 586. — A84. — arXiv: 1512.00325 [astro-ph.HE].

24. Hooper D., Goodenough L. Dark Matter Annihilation in The Galactic Center As Seen by the Fermi Gamma Ray Space Telescope // Phys. Lett. B. — 2011. — Vol. 697. — P. 412-428. — arXiv: 1010.2752 [hep-ph].

25. Glawion D. [et al.]. Unidentified Fermi Objects in the view of H.E.S.S. -Possible Dark Matter Clumps // PoS. — 2021. — Vol. ICRC2019. — P. 518. — arXiv: 1909.01072 [astro-ph.HE].

26. Gammaldi V. [et al.]. Dark Matter search in dwarf irregular galaxies with the Fermi Large Area Telescope // PoS. — 2021. — Vol. ICRC2021. — P. 509. — arXiv: 2109.11291 [astro-ph.CO].

27. Albert A. [et al.]. Search for secluded dark matter towards the Galactic Centre with the ANTARES neutrino telescope. — 2022. — arXiv: 2203. 06029 [astro-ph.HE].

28. Belotsky K. M. [et al.]. Hot Primordial Regions with Anomalous Hydrogen-less Chemical Composition // Symmetry. — 2022. — Vol. 14, no. 7. — ISSN 2073-8994.

29. GALPROP (Электронный ресурс). — The GALPROP code for cosmic-ray transport and diffuse emission production.

30. Sjöstrand T, Mrenna S., Skands P. PYTHIA 6.4 physics and manual // Journal of High Energy Physics. — 2006. — Vol. 5. — P. 026. — eprint: hep-ph/0603175.

31. Belotsky K. [et al.]. Fermi-LAT kills dark matter interpretations of AMS-02 data. Or not? // JCAP. — 2017. — Vol. 1701, no. 01. — P. 021. — arXiv: 1606.01271 [astro-ph.HE].

32. Alekseev V. V. [et al.]. On a possible solution to gamma-ray overabundance arising in dark matter explanation of cosmic antiparticle excess //J. Phys. Conf. Ser. — 2016. — Vol. 675, no. 1. — P. 012026.

33. Alekseev V. V. [et al.]. High-energy cosmic antiparticle excess vs. isotropic gamma-ray background problem in decaying dark matter Universe //J. Phys. Conf. Ser. — 2016. — Vol. 675, no. 1. — P. 012023.

34. Ackermann M. [et al.]. The spectrum of isotropic diffuse gamma-ray emission between 100 MeV and 820 GeV // Astrophys. J. — 2015. — Vol. 799. — P. 86. — arXiv: 1410.3696 [astro-ph.HE].

35. Adriani O. [et al.]. An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100GeV // Nature. — 2009. — Vol. 458, no. 7238. — P. 607609. — arXiv: 0810.4995 [astro-ph].

36. Ackermann M. [et al.]. Measurement of separate cosmic-ray electron and positron spectra with the Fermi Large Area Telescope // Phys. Rev. Lett. — 2012. — Vol. 108. — P. 011103. — arXiv: 1109.0521 [astro-ph.HE].

37. Ambrosi G. [et al.]. Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons // Nature. — 2017. — Vol. 552. — P. 63-66. — arXiv: 1711.10981 [astro-ph.HE].

38. Blum K., Katz B., Waxman E. AMS-02 Results Support the Secondary Origin of Cosmic Ray Positrons // Phys. Rev. Lett. — 2013. — Vol. 111, no. 21. — P. 211101. — arXiv: 1305.1324 [astro-ph.HE].

39. Tomassetti N. Cosmic-ray protons, nuclei, electrons, and antiparticles under a two-halo scenario of diffusive propagation // Phys. Rev. D. — 2015. — Vol. 92, no. 8. — P. 081301. — arXiv: 1509.05775 [astro-ph.HE].

40. Kappl R., Reinert A. Secondary Cosmic Positrons in an Inhomogeneous Diffusion Model // Phys. Dark Univ. — 2017. — Vol. 16. — P. 71-80. — arXiv: 1609.01300 [astro-ph.HE].

41. Kachelrieß M., Neronov A., Semikoz D. V. Cosmic ray signatures of a 2-3 Myr old local supernova // Phys. Rev. D. — 2018. — Vol. 97, no. 6. — P. 063011. — arXiv: 1710.02321 [astro-ph.HE].

42. Huang Z.-Q. [et al.]. Examining the secondary product origin of cosmic ray positrons with the latest AMS-02 data // Astrophys. J. — 2020. — Vol. 895, no. 1. — P. 53. — arXiv: 2001.02973 [astro-ph.HE].

43. Philippov A., Timokhin A., Spitkovsky A. Origin of Pulsar Radio Emission // Phys. Rev. Lett. — 2020. — Vol. 124, no. 24. — P. 245101. — arXiv: 2001.02236 [astro-ph.HE].

44. Abeysekara A. U. [et al.]. Extended gamma-ray sources around pulsars constrain the origin of the positron flux at Earth // Science. — 2017. — Vol. 358, no. 6365. — P. 911-914. — arXiv: 1711.06223 [astro-ph.HE].

45. Linares M., Kachelriess M. Cosmic ray positrons from compact binary millisecond pulsars // JCAP. — 2021. — Vol. 02. — P. 030. — arXiv: 2010.02844 [astro-ph.HE].

46. Orusa L. [et al.]. Constraining positron emission from pulsar populations with AMS-02 data. — 2021. — arXiv: 2107.06300 [astro-ph.HE].

47. Xi S.-Q. [et al.]. GeV Observations of the Extended Pulsar Wind Nebulae Constrain the Pulsar Interpretations of the Cosmic-Ray Positron Excess // ApJ. — 2019. — Vol. 878, no. 2. — P. 104.

48. Yang F., Su M., Zhao Y. Dark Matter Annihilation from Nearby Ultracompact Micro Halos to Explain the Tentative Excess at 1.4 TeV in DAMPE data. —2017. — arXiv: 1712.01724 [astro-ph.HE].

49. Ghosh T. [et al.]. Searching for light from a dark matter clump // JCAP. — 2018. — Vol. 1808, no. 08. — P. 023. — arXiv: 1804.05792 [astro-ph.HE].

50. Cheng J.-G. [et al.]. On the gamma-ray signals from UCMH/mini-spike accompanying the DAMPE 1.4 TeV e+e- excess // Mon. Not. Roy. Astron. Soc. — 2020. — Vol. 497, no. 2. — P. 2486-2492.

51. Ge S.-F. [et al.]. Probing flavor structure of cosmic ray e T spectrum and implications for dark matter indirect searches // Nucl. Phys. B. — 2020. — Vol. 959. — P. 115140. — arXiv: 2004.10683 [astro-ph.HE].

52. Chen C.-H., Chiang C.-W., Nomura T. Dark matter for excess of AMS-02 positrons and antiprotons // Phys. Lett. B. — 2015. — Vol. 747. — P. 495-499. — arXiv: 1504.07848 [hep-ph].

53. Cirelli M. Dark matter phenomena // 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015). Vol.34. — 2015. — P. 14. — arXiv: 1511.02031 [astro-ph.HE].

54. Diamanti R. [et al.]. Constraining dark matter late-time energy injection: decays and p-wave annihilations // JCAP. — 2014. —Vol. 2014, no. 02. — P. 017.

55. Xiang Q.-F. [et al.]. A dark matter model that reconciles tensions between the cosmic-ray e±excess and the gamma-ray and CMB constraints // Physics Letters B. — 2017. — Vol. 773. — P. 448-454.

56. Linden T. Star-Forming Galaxies Significantly Contribute to the Isotropic Gamma-Ray Background // Phys. Rev. — 2017. — Vol. D96, no. 8. — P. 083001. — arXiv: 1612.03175 [astro-ph.HE].

57. Di Mauro M. The origin of the Fermi-LAT 7-ray background // Proceedings, 14th Marcel Grossmann Meeting on Recent Developments in Theoretical and Experimental General Relativity, Astrophysics, and Relativistic Field Theories (MG14) (In 4 Volumes): Rome, Italy, July 12-18, 2015. Vol. 3. — 2017. — P. 3098-3104. — arXiv: 1601.04323 [astro-ph.HE].

58. Belotsky K. M, Kamaletdinov A. K. Consideration of a loop decay of dark matter particle into electron-positron from point of view of possible FSR suppression. — 2020. — arXiv: 2011.12283 [hep-ph].

59. Read J. I. [et al.]. Thin, thick and dark discs in ACDM // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. —2008. — Vol. 389. — P. 1041-1057. — arXiv: 0803.2714.

60. Purcell C. W., Bullock J. S, Kaplmghat M. The Dark Disk of the Milky Way // The Astrophysical Journal. — 2009. — Vol. 703, no. 2. — P. 22752284. — arXiv: 0906.5348 [astro-ph.GA].

61. Pillepich A. [et al.]. The Distribution of Dark Matter in the Milky Way's Disk// The Astrophysical Journal. —2014. — Vol. 784, no. 2. — P. 161. — arXiv: 1308.1703 [astro-ph.GA].

62. Alexander S., Bramburger J. J., McDonough E. Dark Disk Substructure and Superfluid Dark Matter // arXiv e-prints. — 2019. — arXiv:1901.03694. — arXiv: 1901.03694 [astro-ph.CO].

63. Mardon J. [et al.]. Dark Matter Signals from Cascade Annihilations // JCAP. — 2009. — Vol. 0905. — P. 016. — arXiv: 0901.2926 [hep-ph].

64. Genolini Y. [et al.]. New minimal, median, and maximal propagation models for dark matter searches with Galactic cosmic rays // Phys. Rev. D. — 2021. — Vol. 104, no. 8. — P. 083005. — arXiv: 2103.04108 [astro-ph.HE].

65. Jin H.-B., Wu Y.-L., Zhou Y.-F. Cosmic ray propagation and dark matter in light of the latest AMS-02 data // Journal of Cosmology and Astro-Particle Physics. — 2015. — Vol. 2015, no. 9. — P. 049. — arXiv: 1410 . 0171 [hep-ph].

66. Navarro J. F., Frenk C. S., White S. D. M. A Universal density profile from hierarchical clustering // Astrophys. J. — 1997. — Vol. 490. — P. 493508. — arXiv: astro-ph/9611107 [astro-ph].

67. Ajello M. [et al.]. Fermi-LAT Observations of High-Energy Gamma-Ray Emission toward the Galactic Center // The Astrophysical Journal. — 2016. — Vol. 819. — P. 44. — arXiv: 1511.02938 [astro-ph.HE].

68. Aguilar M. [et al.]. Antiproton Flux, Antiproton-to-Proton Flux Ratio, and Properties of Elementary Particle Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station // Phys. Rev. Lett. — 2016. — Vol. 117. — P. 091103.

69. Maurin D. [et al.]. Cosmic-Ray Database Update: Ultra-High Energy, Ultra-Heavy, and Antinuclei Cosmic-Ray Data (CRDB v4.0) // Universe. — 2020. — Vol. 6, no. 8. — P. 102. — arXiv: 2005.14663 [astro-ph.HE].

70. Niu J.-S., Li T, Xu F.-Z. A Simple and Natural Interpretations of the DAMPE Cosmic Ray Electron/Positron Spectrum within Two Sigma Deviations // Eur. Phys. J. — 2019. — Vol. C79, no. 2. — P. 125. — arXiv: 1712.09586 [hep-ph].

71. Ibarra A., Tran D., Weniger C. Decaying dark matter in light of the PAMELA and Fermi LAT data // Journal of Cosmology and Astro-Particle Physics. — 2010. — Vol. 1. — P. 009. — arXiv: 0906.1571 [hep-ph].

72. Рахимова М. А. Модель «темного диска» в свете эксперимента DAMPE : Дипломная работа бакалавра / Рахимова М. А. — НИЯУ МИФИ, 2021.

73. Рахимова М. А. Исследование возможности описания избытков заряженных частиц в космических лучах с помощью скрытой массы с барионо-подобным пространственным распределением : Дипломная работа магистра / Рахимова М. А. — НИЯУ МИФИ, 2023.

74. Abdo A. A. [et al.]. Fermi Large Area Telescope observations of Local Group galaxies: detection of M 31 and search for M 33 // A&A. — 2010. — Vol. 523. — P. L2. — arXiv: 1012.1952 [astro-ph.HE].

75. Bird R, VERITAS Collaboration. VERITAS Observations of M31 (the Andromeda Galaxy) // 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015). Vol. 34. — 2015. — P. 851. — (International Cosmic Ray Conference). — arXiv: 1508.07195 [astro-ph.HE].

76. Topchiev N. P. [et al.]. Gamma- and Cosmic-Ray observations with the GAMMA-400 Gamma-Ray telescope // Advances in Space Research. — 2022. — Vol. 70, no. 9. — P. 2773-2793. — arXiv: 2108.12609 [astro-ph.IM].

77. Pshirkov M. S., Vasiliev V. V., Postnov K. A. Evidence of Fermi bubbles around M31 // MNRAS. — 2016. — Vol. 459, no. 1. — P. L76-L80. — arXiv: 1603.07245 [astro-ph.HE].

78. Ackermann M. [et al.]. Observations of M31 and M33 with the Fermi Large Area Telescope: A Galactic Center Excess in Andromeda? // ApJ. — 2017. — Vol. 836, no. 2. — P. 208. — arXiv: 1702.08602 [astro-ph.HE].

79. Karwin C. [et al.]. Fermi-LAT Observations of Gamma-Ray Emission Towards the Outer Halo of M31 // 36th International Cosmic Ray Conference (ICRC2019). Vol. 36. — 2019. — P. 570. — (International Cosmic Ray Conference). — arXiv: 1903.10533 [astro-ph.HE].

80. Li Z. [et al.]. Constraints on the dark matter annihilation from Fermi-LAT observation of M31 //J. Cosmology Astropart. Phys. —2016. —Vol. 2016, no. 12. — P. 028. — arXiv: 1312.7609 [astro-ph.CO].

81. Eckner C. [et al.]. M31 gamma ray emission - a closer look at different explanations // Proceedings of the European Physical Society Conference on High Energy Physics. 5-12 July. — 2017. — P. 9.

82. McDaniel A., Jeltema T., Profumo S. Multiwavelength analysis of annihilating dark matter as the origin of the gamma-ray emission from M31 // Phys. Rev. D. — 2018. — Vol. 97, no. 10. — P. 103021. — arXiv: 1802.05258 [astro-ph.HE].

83. Karwin C. M. [et al.]. Dark matter interpretation of the Fermi-LAT observations toward the outer halo of M31 // Phys. Rev. D. — 2021. — Vol. 103, no. 2. — P. 023027. — arXiv: 2010.08563 [astro-ph.HE].