우주선과 암흑물질의 충돌: PAMELA와 ATIC 데이터에서 관찰된 피크 현상 분석

A.B. 플란치크

우크라이나 국가천문연구소 라디오 천문학 연구소

이메일: alex.svs.fl@gmail.com

PAMELA [1]와 ATIC [2]가 얻은 데이터는 우주선 양성자 스펙트럼에서 100 GeV 이상의 에너지에서 피크가 존재함을 보여준다. 이 논문에서는 이 피크가 중성미자 암흑 물질과 우주선 양성자의 상호작용으로 인해 발생할 수 있음을 입증한다. 이러한 과정은 차기(chargino) 생산과 그 레프톤 붕괴를 동반한다.

1. 서론

일반적으로 암흑 물질은 중력에 의해만 드러날 것으로 예상된다. 그러나 빛나는 중성미자 암흑 물질의 경우, 0 ≤ mₙ ≤ 10⁻³ GeV의 가벼운 중성미자로 구성될 경우, 중력 외에도 약한 상호작용에 참여해야 한다.

본 연구에서는 우주선 전자와 상호작용하는 차원(chargino)과 중성미자 암흑 물질의 충돌을 다룬다. 이 과정은 0 ≤ χ₀ ≤ 10⁻³ ~ 10⁻² GeV의 차기(chargino)를 생성하며, 이는 레프톤 붕괴를 통해 최종적으로 전자-반중성미자 쌍을 생성한다. 이러한 레프톤-반중성미자 쌍은 PAMELA와 ATIC 데이터에서 관찰된 스펙트럼의 피크와 유사한 에너지를 갖는다.

2. 과정

우리는 에너지 및 운동량 보존 법칙을 사용하여 최종 중성미자와 차기의 에너지를 계산한다. 중성미자의 경우,

cos(θ) = [2mₙ(E₀ + mₓ)] / (2√(E₀² + pₙ²))

차기의 경우,

cos(θ) = [2mₗ(E₀ - mₓ)] / (2√(E₀² + pₗ²))

여기서 θ는 전자 및 중성미자 운동량 사이의 각도, E₀는 초기 전자의 에너지, mₙ 및 mₗ은 각각 중성미자와 차기의 질량이고, pₙ 및 pₗ는 그들의 운동량이다.

차기-중성미자 상호작용 교차 단면적은 다음과 같이 표현된다:

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