用 γ 射线数据约束正电子超出的暗物质解释

暗物质的粒子起源仍是现代物理学的主要谜题之一。在实验室探测暗物质最有前景的策略之一是通过对空间中暗物质湮灭所产生的宇宙粒子的间接搜寻。特别是，AMS-02 实验已高精度测量了宇宙正电子流强，表明相对于次级产生，在 10 GeV 以上存在超出。我们在本文中研究正电子超出的可能暗物质起源，找出拟合高能正电子数据所需的暗物质质量 $M$ 与湮灭截面 $\langle \sigma v \rangle$ 的值。具体而言，我们发现对于湮灭为 $b\bar{b}$ 的暗物质，需要有 $M=43$ TeV 和 $\langle \sigma v \rangle = 10^{-21}$ cm$^3$/s，而对于 $\tau^+\tau^-$ 则需要 $M=2$ TeV 和 $\langle \sigma v \rangle = 3\times 10^{-23}$ cm$^3$/s。若暗物质产生正电子，则预期它们会从银河系中心及星系的矮星系卫星周围产生伽马射线。因此，我们将由 AMS-02 正电子数据拟合得到的暗物质质量与湮灭截面的值，与利用 HESS 在银河系中心方向未探测到 $\gamma$ 射线以及 Fermi-LAT 对矮星系联合分析所推导出的上限相结合。本文的主要结果是：只有湮灭为 $\mu^+ \mu^-$、质量约 500 GeV 且 $\langle \sigma v \rangle = 4\times 10^{-24}$ cm$^3$/s 的暗物质能够拟合 AMS-02 数据并与 $\gamma$ 射线所得上限相容。至于 $\tau^+ \tau^-$（$b\bar{b}$）通道，暗物质最多只能贡献百分之几十（百分之几）的水平。