暗黒物質の探査機としての木星ミッション

木星の質量と磁場がダークマター由来の電子と陽電子を捉えてそれを木星を周回するジュノーやガリレオの様な探査機が観測することは可能説です。接近通過したパイオニア、ボイジャー、ユリシーズ、カッシーニとニューホライズンズの過去データ（レガシー）の解析だけで分かるのか？以下、機械翻訳。
暗黒物質の探査機としての木星ミッション
2022年7月27日
太陽系最大の魅力的な惑星である木星には、木星の特性に関するかなりの量のデータを収集した9つの探査機が訪れています。本稿では、相対論的電子流束に関するその場測定の1つのタイプが、暗黒物質(DM)と暗黒界と私たちの目に見える世界との間の暗黒体メディエーターを探査するために使用できることを示した。巨大な重量と冷たいコアを持つ木星は、GeVスケールの周りまたはそれ以下の質量を持つDMにとって理想的な捕捉器である可能性があります。捕獲されたDM粒子は、暗黒光子などの長寿命の暗黒メディエーターに消滅し、その後、木星外の電子と陽電子に崩壊する可能性がある。木星の磁場に閉じ込められた荷電粒子は、ガリレオ探査機やジュノーオービターなどの木星ミッションで測定されています。我々は、次数 ${\cal O}(0.1-1)sigma_ の暗黒メディエーターに対して、核子からのDM散乱の断面 $\$s{\chi n}$ の上限を設定するために利用可能なデータを使用します。結果は、木星ミッションからのデータは、すでに既存のDM検索によって未探索または未探索のパラメータ空間内の領域をプローブしていることを示しています、例えば、ダークメディエーターを介してsigma_^+e^-$に優勢に消滅する1GeV DMに対して$\$e{\chi n}$のオーダー$(10^{-40} - 10^{-38})$ cm$^2$を制限します。この研究は、木星ミッションからの大規模な惑星データセットの完全な物理学的可能性を探求するための例と最初のステップとして役立ちます。また、電子、陽電子信号、太陽軸線の二次生成物に関連する他のいくつかの潜在的な方向についても概説する。


図 1: ガリレオ探査機 (青) とジュノー探査機の軌跡の漫画
（赤）。


図 2: プロセスの概略図。 捕捉された DM 粒子 (白の実線) は消滅して一対の暗いメディエーター (青の破線) になり、それが崩壊して e になります。
+e
−（赤色点灯）外側
木星。 エネルギーの高い電子または陽電子は、木星ミッションで測定できます。


図 3: r = 1.2RJ でのメディエーターの減衰密度率 ρD、単位は cm−3/s、関数として
メディエータの寿命 Γ−1
D の単位は RJ で、ブースト係数 γ です。


図 4: 木星磁場における電子運動の漫画 (磁力線は
黒い破線の曲線で示されます)。 闇の仲介者は木星の外を移動します (青)
破線) と e のペアに減衰します。
± (これを電子と呼びます)。 電子
磁束管の周りを旋回し、磁力線に沿って移動します。 を持つ電子の場合
B がその軌道に沿って増加するにつれて、その α は最終的に π/2 に達します。
赤い軌跡で示されているように、ミラーポイントの周りで反射されます。 対照的に、
初期αが小さい電子は、到達する前に大気に衝突して吸収されます。
黄色の軌跡で示されるミラーポイント


7 まとめと展望
この記事では、木星放射線帯の研究間の興味深いつながりを提案します。
DM検索。木星によってキャプチャされたDMが可能なDMモデルのクラスを検討します
長寿命の暗黒メディエーターのペアに消滅し、その後 e に崩壊します。
±外側
木星。これは、メディエーターの減衰長が
木星の半径、例えば、動力学的混合パラメータが ~ 10−10 のサブ GeV スケールの暗光子
これは（完全に）実験的にカバーされていません。生成された e
±は、最も内側の放射線帯に完全または準トラップされ、エネルギー電子束に寄与する可能性があります。
さまざまな木星ミッションによるその場測定に記録されています。収集したデータを適用します
ガリレオ探査機とジュノ ミッションによって、σχn の積に関する強力な制約を見つけます。
DM-核子散乱断面積、および Q Br、DM 消滅の分岐分数
eで終わる
± 最終状態、(0.1 - 10) GeV の間の DM 質量。特にDMの場合は1時
GeV、製品の境界は 10-40 cm2 と同じくらい強い可能性があります
によって収集されたデータから
L でのガリレオ EPI プローブ。 1.2 電子が準トラップされている場所。準トラッピング
ケースは、電子損失効果に関連する不確実性の影響を受けます。
モデリング。データを使用して、より弱いが潜在的に信頼性の高い制約を導き出すことができます
電子が完全にトラップされ、電子損失が
サブドミナント。この場合、σχn の上限 ×
Q
Br は約 10−38 cm2
DMの場合
1GeV。これらの境界は、現在の GeV スケールの DM ダイレクトに匹敵するか、それよりも強い可能性があります。
検出は、特にスピン依存の DM 核子散乱を検索します。
私たちの研究は、過去、継続中、および
素粒子物理学の標準モデルを超えた新しい物理学を調査する将来の木星ミッション。
分析はいくつかの点で改善される可能性があります。
シナリオは、電子損失効果のより正確なモデリングで改良できます。より良い
天体物理学の電子源を理解することで、より強い制約を設定できるようになる可能性があります
DM パラメータについて。また、将来の木星ミッションでさらに多くのことが可能になる可能性があることも強調したいと思います
エネルギー電子フラックスの正確な測定と、異なる場所での対応するスペクトル
位置[106]、バウンドを大幅に強化する可能性があります。私たちが行った分析を超えて、
木星の力を探求するための他のいくつかの（すべてではない）エキサイティングな方法をリストして概説する
以下の新しい物理検索のデータ。
• 逆コンプトン散乱からの X 線 暗いメディエーターからの電子が崩壊する
太陽光子による逆コンプトン散乱によって X 線を生成することができます。
注入された電子と太陽光子の間の相互作用率は低く、エネルギーを残します
この効果による損失は、電子フラックスの計算では無視できます。ただし、超相対論的な MeV-GeV スケールの電子によって後方散乱された光子は、keV-MeV のエネルギーを拾います。
電子スペクトルに依存します。これまでのところ、その場での測定はありません
木星のX線。それにもかかわらず、木星の X 線背景に関するデータ セットがあります。
チャンドラ、XMM-ニュートン、スザクの X 線望遠鏡 [107–111]。
地球の近く。特に、[112] では拡散硬 X 線が
木星周辺の (1-5 keV) 放射は、太陽光子散乱によって説明できます。
r ' (4-8)RJ 内に閉じ込められたエネルギー電子の大きな集団。簡単な見積もり
このような大きな電子源は、から注入された電子によって提供される可能性があることを示しています
私たちのモデルにおける DM 消滅。詳細な研究は今後に譲る。
他にも観測対象となりうる二次変換産物があり、
電子衝突イオン化からのイオン、またはさらに高いエネルギーの光子、すなわちからのγ線として
電磁放射 [113] または電子陽電子消滅。
• 陽電子信号 この論文で説明したその場測定が実装されています。
磁場のない機器によって陽電子と電子を区別しません。
木星はアクティブな陽電子源として知られているわけではないので、木星の陽電子信号は
検出された場合は攻撃します。 1つの可能性は、木星の外にある高エネルギーの陽電子
私たちのDMモデルで予測されたものは、磁気圏を脱出して内部に移動する可能性があります
ねじれた磁力線、すなわちパーカーのらせん [114] を通る太陽圏。
次に、PAMELA [115] または AMS [116] 宇宙線検出器を使用して、
地球近くの木星陽電子.木星と地球の相対運動
また、13 か月間の陽電子フラックスを生成します。そのようなダイナミクスと検出
地球軌道に運ばれる木星電子の可能性が研究されている [117–122]。