Revisiting the limits on dark matter annihilation cross-section and decay lifetime in light of electron and positron fluxes

Résumé technique : Réévaluation des limites sur l'annihilation et la désintégration de la matière noire via les flux d'électrons et de positrons

Énoncé du problème
La matière noire (DM) demeure un mystère fondamental en physique des particules et en cosmologie, sa nature (masse, spin, interactions) étant indéterminée. Bien que la détection indirecte via les rayons cosmiques soit une stratégie de recherche primaire, les contraintes sur la matière noire lourde ($M_{DM} \gtrsim 500$ GeV) ont historiquement reposé principalement sur les observations de rayons gamma et de neutrinos. Des études antérieures ont contraint les propriétés de la DM jusqu'à des masses de $\sim 10^{11}$ GeV en utilisant ces canaux, mais le régime $M_{DM} \gtrsim 10^{11}$ GeV reste largement inexploré avec une littérature disponible limitée. De plus, bien que les flux d'électrons et de positrons ($e^\pm$) soient sensibles à la DM, une réévaluation complète des limites supérieures sur la section efficace d'annihilation ($\langle \sigma v \rangle$) et des limites inférieures sur le temps de vie de désintégration ($\tau_{DM}$) en utilisant les dernières données de flux $e^\pm$ à haute énergie sur une large gamme de masses ($500 \text{ GeV} - 10^{16} \text{ GeV}$) est nécessaire.

Méthodologie
Les auteurs analysent deux scénarios : l'annihilation de la DM stable et la désintégration de la DM instable en états finaux du Modèle Standard (SM) ($W^+W^-$, $b\bar{b}$, $\mu^+\mu^-$, $\tau^+\tau^-$ et $e^+e^-$). L'analyse se concentre sur la production et la propagation des $e^\pm$ dans le milieu galactique.

1. Modélisation de la propagation : Le flux de $e^\pm$ à la Terre est calculé en résolvant l'équation de diffusion en régime stationnaire. Les auteurs adoptent le modèle de propagation "SLIM" avec la configuration de référence "MIN" (caractérisée par une hauteur de halo diffusif $L$ et un coefficient de diffusion $K_0$ plus petits) combinée à un profil de halo de matière noire NFW. Ce choix est conservateur, garantissant que les limites sont robustes face aux incertitudes astrophysiques concernant la distribution de la DM dans le centre galactique.
2. Termes sources : Les spectres d'injection pour l'annihilation et la désintégration sont dérivés de HDMSpectra, qui incorpore les corrections électrofaibles complètes essentielles pour la DM lourde.
3. Intégration des données : L'étude utilise les flux observés et les limites supérieures provenant de multiples expériences couvrant une large gamme d'énergie :
   • Flux $e^\pm$ : CALET, DAMPE, H.E.S.S., et AMS-02 (positrons uniquement).
   • Flux de rayons gamma (utilisés comme proxys pour $e^\pm$) : HAWC, GRAPES-3, et CASA-MIA (notant que ces expériences ne peuvent pas distinguer les rayons gamma des paires $e^\pm$).
4. Analyse statistique :
   • Pour les expériences avec des flux mesurés (CALET, AMS-02, DAMPE, H.E.S.S.), une analyse $\chi^2$ est effectuée pour déterminer les limites au niveau de confiance (C.L.) de 95 % sur $\langle \sigma v \rangle$ et $\tau_{DM}$.
   • Pour les expériences fournissant uniquement des limites supérieures (HAWC, GRAPES-3, CASA-MIA), la contrainte est imposée de telle sorte que le flux total prédit (signal de DM + fond astrophysique) ne dépasse pas la limite supérieure expérimentale dans n'importe quel intervalle d'énergie.
   • Les flux de fond pour les électrons/positrons primaires et secondaires sont paramétrés sur la base de modèles établis [61] et de fits expérimentaux spécifiques.

Contributions clés et résultats
L'article dérive des limites à 95 % C.L. sur $\langle \sigma v \rangle$ et $\tau_{DM}$ pour des masses de DM allant de 500 GeV à $10^{16}$ GeV.

• Contraintes d'annihilation ($\langle \sigma v \rangle$) :
  • Faible masse ($< 2$ TeV) : Les données de positrons d'AMS-02 fournissent les contraintes les plus strictes.
  • Masse élevée ($\gtrsim 2$ TeV) : Les données de H.E.S.S. produisent les limites les plus fortes, s'étendant jusqu'à $M_{DM} \sim 10^{14}$ GeV.
  • Comparaison avec d'autres canaux : Pour les masses de DM dans la plage $10^5 - 10^{11}$ GeV, les limites dérivées du flux $e^\pm$ sont compétitives avec celles des observations de rayons gamma et de neutrinos. Au-delà de $10^{11}$ GeV, les contraintes $e^\pm$ deviennent les plus strictes disponibles.
• Contraintes de désintégration ($\tau_{DM}$) :
  • Masse faible à intermédiaire ($10^3 - 10^9$ GeV) : Le flux de $e^\pm$ fournit les contraintes les plus fortes sur le temps de vie de la DM.
  • Masse élevée : Pour $M_{DM} \gtrsim 10^9$ GeV, les données de rayons gamma mènent généralement les contraintes.
  • Limites spécifiques : Pour une particule de DM de 10 TeV se désintégrant en $\mu^+\mu^-$, les données de H.E.S.S. excluent les temps de vie $\tau_{DM} \lesssim \mathcal{O}(10^{30})$ s.
• Analyse d'incertitude : Les auteurs quantifient l'impact des incertitudes du modèle de propagation (en comparant les benchmarks MIN, MED et MAX). Ils constatent que, bien que le flux du signal de DM varie d'un facteur 2 à 3 entre les modèles à basse énergie, le flux total (signal + fond) varie de moins de $\sim 10 \%$. Par conséquent, les limites déduites sur $\langle \sigma v \rangle$ et $\tau_{DM}$ sont robustes, avec des incertitudes inférieures à $\sim 10 \%$.

Signification et affirmations
L'article affirme être le premier à dériver des limites sur la DM jusqu'à $M_{DM} = 10^{16}$ GeV en utilisant les observations d'électrons et de positrons. En synthétisant les données de CALET, DAMPE, H.E.S.S., AMS-02, HAWC, GRAPES-3 et CASA-MIA, l'étude comble une lacune dans le régime de haute masse où les contraintes précédentes étaient rares. Les auteurs soulignent que pour la matière noire très lourde ($M_{DM} \gtrsim 10^{11}$ GeV), les observations du flux $e^\pm$ offrent une sensibilité supérieure par rapport aux canaux traditionnels de rayons gamma et de neutrinos. Les résultats fournissent des régions d'exclusion mises à jour et robustes pour les modèles de DM lourde, particulièrement ceux impliquant une annihilation ou une désintégration dans des canaux leptoniques et hadroniques, et mettent en évidence la nature complémentaire des données multi-messagers pour sonder l'espace des paramètres de la DM lourde.