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Indirect Signatures of Unstable Dark Matter in Cosmic-Ray Antimatter and in the Gamma-Ray Sky [Elektronische Ressource] / David Tran. Gutachter: Alejandro Ibarra ; Michael Ratz. Betreuer: Alejandro Ibarra

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Published 01 January 2011
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Language English
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Exrait

¨ ¨TECHNISCHE UNIVERSITAT MUNCHEN
Lehrstuhl T30d
Indirect Signatures of Unstable Dark Matter
in Cosmic-Ray Antimatter and
in the Gamma-Ray Sky
David Hoang Tran
Vollsta¨ndiger Abdruck der von der Fakult¨at fu¨r Physik der Technischen Universita¨t
Mu¨nchen zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Lothar Oberauer
Pru¨fer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. Alejandro Ibarra
2. Univ.-Prof. Dr. Michael Ratz
Die Dissertation wurde am 05.07.2011 bei der Technischen Universita¨t Mu¨nchen eingereicht
und durch die Fakult¨at fu¨r Physik am 18.07.2011 angenommen.Indirect Signatures of Unstable Dark Matter
in Cosmic-Ray Antimatter and
in the Gamma-Ray Sky
Doctoral Thesis
in Physics
submitted by
David Tran
2011
Technische Universit¨at Mu¨nchen
Physik-DepartmentContents
Introduction 6
I Preliminaries 9
1 The Dark Universe 10
1.1 Evidence for the Existence of Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Approaches to Dark Matter Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Particle Candidates for Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Unstable Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 The Distribution of Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Cosmic Rays 24
2.1 General Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 The Transport Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Propagation of Electrons and Positrons . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 Propagation of Light Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Solar Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 The Gamma-Ray Sky 34
3.1 Extragalactic Gamma Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Galactic Gamma Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Inverse Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
II Model-Independent Considerations 40
4 Charged Leptons from Decaying Dark Matter 41
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 The Positron Excess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Astrophysical Interpretations of the Positron Excess . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Positrons and Electrons from Decaying Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.1 Fermionic Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Scalar Dark Matter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
15 Antideuterons from Dark Matter Decay 61
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 The Coalescence Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 Antideuteron Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.4 Antideuteron Flux from Dark Matter Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6 Large-Scale Gamma-Ray Anisotropies 71
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Gamma Rays from Dark Matter Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3 Large-Scale Anisotropies from Dark Matter Decay . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4 Morphology of Prompt and Inverse Compton Radiation . . . . . . . . . . . . 81
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7 Gamma-Ray Lines from Radiative Dark Matter Decay 85
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2 Radiative Decay of Fermionic Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.2.1 Decay Widths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.2.2 Intermediate Scalar: Intensity of the Gamma-ray Line . . . . . . . . . 92
7.2.3 Intermediate Vector: Intensity of the Gamma-Ray Line . . . . . . . . 97
7.3 Radiative Decay of Scalar Dark Matter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
+ −7.3.1 The Decay φ →ℓ ℓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99DM
7.3.2 The Decay φ →γγ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99DM
7.4 Observational Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.4.1 Fermi LAT Line Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.4.2 Imaging Air Cherenkov Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8 Neutrino Signals from Decaying Dark Matter 110
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.2 Neutrino Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.2.1 Background Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.2.2 General Detection Strategy and Use of Directionality . . . . . . . . . . 113
8.3 Neutrino and Muon Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.3.1 Neutrino Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.3.2 Muon Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.3.3 Electron and Tau Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.4 Rates and Bounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4.1 Super-Kamiokande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4.2 Rates and Bounds for Present and Future Experiments . . . . . . . . 124
8.4.3 Energy Resolution and Reconstructed Spectra . . . . . . . . . . . . . 127
8.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2III Models of Decaying Dark Matter 135
9 Gravitino Dark Matter 136
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.2 Operator Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.3 Antimatter from Gravitino Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.3.1 Constraints from the Antiproton Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.3.2 Comparison with the Electron/Positron Fluxes . . . . . . . . . . . . . 142
9.4 Predictions for the Diffuse Gamma-Ray Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10 Hidden-Gaugino Dark Matter 151
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.2 The Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
10.3 Cosmic Rays from Leptophilic Dark Matter Decay . . . . . . . . . . . . . . . 154
10.3.1 Decaying Neutralinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.3.2 Decaying Hidden Gauginos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Conclusions and Outlook 165
A Statistical Errors of the Large-Scale Anisotropy 168
B Decay Widths for the Leptophilic Toy Model 169
B.1 Decay Widths for Fermionic Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
+ −B.1.1 The Decay ψ →ℓ ℓ N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169DM
B.1.2 The Decay ψ →γN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171DM
B.2 Decay Widths for Scalar Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Bibliography 174
Acknowledgements 199
3Zusammenfassung
Wir untersuchen die indirekten Signaturen dunkler Materie in der kosmischen Antimaterie,
Gammastrahlung und in Neutrinos in einer Klasse von Modellen, in welchen die dunkler Ma-
terie des Universum instabil ist, aber mit kosmologischen Lebensdauern zerf¨allt. In Teil I
stellen wir die zahlreichen Evidenzen fur die Existenz der dunklen Materie dar und disku-¨
tieren ihre bekannten Eigenschaften. Wir bringen außerdem eine kurze Einfu¨hrung in die
kosmische Strahlung von geladenen Teilchen sowie in die kosmische Gammastrahlung, deren
astrophysikalische Komponenten die Hintergru¨nde“ darstellen, gegen die wir mo¨gliche Sig-

naturen dunkler Materie zu identifizieren versuchen. Die restlichen Kapitel enthalten neue
Ergebnisse und basieren auf in Fachzeitschriften ver¨offentlichten Artikeln, welche im Rah-
men dieser Doktorarbeit angefertigt wurden wurden [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. Es wird auch
teilweise Bezug genommen auf einige Ergebnisse, die bereits in der Diplomarbeit des Autors
vero¨ffentlicht wurden [10, 11]. In Teil II leiten wir Einschr¨ankungen an die Stabilita¨t der
dunklen Materie in verschiedenen Zerfallskanalen auf eine Weise her, die unabhangig vom¨ ¨
zugrundeliegenden teilchenphysikalischen Modell der dunklen Materie ist. Wir interpretieren
zunachst jungst beobachtete Anomalien in der leptonischen kosmischen Strahlung als Sig-¨ ¨
natur fu¨r den Zerfall dunkler Materie im galaktischen Halo und identifizieren passende Zer-
fallskanale.WeiterhinuntersuchenwirdieAussichtenfureineEntdeckungvonAntideuteronen¨ ¨
in der kosmischen Strahlung,deren Produktion stark mit dervon Antiprotonen korreliert ist.
Danach beschaftigen wir uns mit Gammastrahlung und analysieren zunachst die dipolartige¨ ¨
Anisotropie in der Zerfallsstrahlung dunkler Materie, welche durch unsere exzentrische Posi-
tion im galaktischen Halo hervorgerufen wird. Danach untersuchen wir den radiativen Zerfall
von leptophiler“ dunklerMaterie in monochromatische Photonen, welcher durch Quantenef-

fekteinduziertwird.Weiterhin leiten wirAbsch¨atzungenfu¨rdieEinschr¨ankungenher,welche
zukunftige Neutrinobeobachtungen an Teleskopen von Kubikkilometer-Dimensionen liefern¨
werden. Im Gegensatz zu diesen modellunabha¨ngigen Studien untersuchen wir in Teil III die
Signaturen in der kosmischen Strahlung zweier spezieller supersymmetrischer Modelle fur die¨
dunkle Materie, n¨amlich dem Gravitino in Szenarios mit gebrochener R-Parit¨at, sowie dem
Gaugino einer versteckten Abelschen Eichsymmetrie, welches durch kinetische Mischung mit
der Hyperladungs-Eichgruppe des Standardmodells zerf¨allt.
4Abstract
We discuss the indirect signatures in cosmic-ray antimatter and gamma rays which may
arise in a class of models where the dark matter of the Universe is unstable but decays
with cosmological lifetimes. Part I contains a review of the evidence for the existence of
dark matter as well as its known properties. It also features a brief introduction to the
Galactic propagation of cosmic rays as well as the cosmic gamma radation, the astrophysical
components of which will constitute the “backgrounds” against which we try to identify
possible dark matter signatures. The remaining chapters contain original work and are based
on the author’s peer-reviewed journal publications that were prepared in the context of the
present doctoral dissertation [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. Some results previously publishedin the
context oftheauthor’s diplomathesisarealso cited [10,11].InPartIIweanalyze constraints
on dark matter stability in a manner that is independent of the underlying particle-physics
modelofthedarkmatter.Weinterpretrecentlyobservedanomalousresultsinleptoniccosmic
rays in terms of the decay of dark matter in the Galactic halo and identify appropriate decay
channels. We then analyze the prospects for the detection of antideuterons from dark matter
decay, the production of which is closely correlated with the production of antiprotons. Next,
weturntogammarays,analyzingfirstthedipole-likeanisotropyinthegamma-raysignalfrom
darkmatterdecayinducedbyouroff-centerpositioninthehalo.Wethenanalyzetheradiative
decaysof“leptophilic”darkmatterintomonochromaticphotonsinducedatthelooplevel.We
further discuss projected constraints for upcoming neutrino observations at cubic-kilometer
sized observatories. In contrast, in Part III we analyze two specific supersymmetric models
of decaying dark matter with regards to their cosmic-ray signatures, namely the gravitino
in models with R-parity violation and the gaugino of an Abelian hidden-sector gauge group
which decays via kinetic mixing with the Standard Model hypercharge.
5Introduction
The question of the particle nature of the dark matter, which makes up just over 80% of the
matter of the Universe, is one of the most prominent questions in cosmology and particle
physics today. Despite decades of experimental, observational and theoretical efforts, not
much is known to date about the microscopic nature of the dark matter. In this thesis we
examine the indirect signatures of a class of darkmatter models wherethe darkmatter is not
perfectly stable, but instead decays with cosmological lifetimes. The instability of the dark
matter then implies that its decay in the Galactic halo and at cosmological distances might
leave visible traces in the cosmic radiation, in the flux of neutrinos as well as in cosmic radio
waves, X-rays or gamma rays. Identifying and isolating possible dark matter signatures as
anomalous excesses over astrophysical “backgrounds” and interpreting their implications is
an approach known as indirect dark matter detection.
The field of indirect detection has experienced a surge of activity over the past few years
fueled by a number of interesting and unexpected astrophysical observations that have been
tentatively interpretedasdarkmattersignatures. InJune2006, thesatellite-based cosmic-ray
instrument PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astro-
physics) was launched. In late 2008 the collaboration reported a spectacular result regarding
theabundanceofpositronsinthecosmicradiation relative tothatofelectrons, whichismuch
larger than expected at energies above 10 GeV and actually increases with the energy up to
atleast100 GeV.Thisbehavior isinstarkcontrast withthestandardpictureof positronpro-
duction by spallation of primary cosmic rays on the interstellar medium. At the same time,
PAMELA observed a fluxof antiprotons which is completely in agreement with astrophysical
expectations.
In June 2008 the Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST, formerly named GLAST)
was launched and has since performed full-sky measurements of unprecedented quality of
the Galactic and extragalactic gamma-ray emission with its Large Area Telescope (LAT). It
has also provided measurements of the combined flux of electrons and positrons over a large
range of energies from a few GeV to about one TeV which complement the measurements
of the positron fraction performed by PAMELA. Together, these data sets strongly indicate
the presence of a significant primary component in the fluxof positrons and electrons at high
energies. These findings have attracted a lot of attention from both the astrophysical and
the particle physics communities, with many authors attempting to findexplanations for this
+ −puzzlingdiscovery, bothintermsofconventional astrophysics,suchastheproductionofe e
pairs by pulsars, and in terms of new fundamental physics, i.e., the annihilation or decay of
dark matter particles in the halo.
6