[論文レビュー] An Indirect Search for WIMPs with Super-Kamiokande

A. Habig|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、地球、太陽、銀河中心におけるWIMPの対消滅から生じる高エネルギーニュートリノを検出することにより、Super-Kamiokande検出器を用いて弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）の間接的探索を実施している。上向きに通過するミューオンの有意な過剰は観測されず、WIMP誘発ニュートリノフラックスおよび、それに関連するWIMP-核子スピン非依存断面積に対するきびしい上限が得られた。この上限は、DAMA実験が支持するパラメータ領域の大部分を除外するものである。

ABSTRACT

A potential source of high energy neutrinos is the annihilation of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) collecting in gravitational potential wells such as the centers of the Earth, the Sun, or the Galaxy. A search for such a WIMP annihilation signal using the Super-Kamiokande (Super-K) detector is presented. Super-K observes 1.1 upward through-going muons per day. These events are caused by high energy (typical E_nu ~ 100 GeV) nu_mu interactions in the rock under the detector, and are generally consistent with the expected flux from atmospheric neutrinos. No enhancement of the neutrino signal due to WIMP annihilation is seen, so upper limits on the possible flux of WIMPS are set. These limits are compared to those from other such indirect searches, and a model-independent method is used to compare the Super-K results with direct-detection WIMP experiments.

研究の動機と目的

• 地球、太陽、銀河中心におけるWIMP対消滅から生じる高エネルギーニュートリノの探索を通じて、暗黒物質の間接的証拠を得ること。
• Super-Kにおける上向きに通過するミューオン事象を用いて、WIMP誘発ニュートリノフラックスの上限を設定すること。
• 間接検出（Super-K）と直接検出実験（CDMS、DAMA）がWIMP-核子断面積を探索する感度を比較すること。
• 間接検出と直接検出のWIMP検出手法をモデルに依存しない形で比較すること。

提案手法

• Super-Kamiokandeの1268日分のライブタイムデータを用い、WIMP対消滅から生じる高エネルギーニュートリノの印である上向きに通過するミューオン事象1,416件を分析した。
• ミューオン事象は、PMTPの電荷および時間情報に基づいて再構築され、深部の岩内での高エネルギーミューオンを保証するため、最低7メートルの経路長を要件とした。
• 太陽、地球、銀河中心の周囲に信号ウィンドウを定義し、さまざまなWIMP質量に対して90%の期待信号を集積できるようにした。
• 観測されたミューオン率と大気ニュートリノ背景の期待値を用いて、異なる円錐角およびWIMP質量に対してフラックス上限を計算した。
• Kamionkowskiら（1995）が提示した保守的な比を用いて、WIMP誘発ニュートリノフラックスの上限を、WIMP-核子スピン非依存断面積の上限に変換した。
• 結果を直接検出実験（CDMSおよびDAMA）と比較し、パラメータ空間全体における相対的な感度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球、太陽、または銀河中心におけるWIMP対消滅から生じる高エネルギーニュートリノに起因する上向きに通過するミューオンの検出可能な過剰は存在するか？
• RQ2 WIMP質量の関数として、これらの天体からのWIMP誘発ニュートリノフラックスの上限は何か？
• RQ3 間接検出（Super-K）と直接検出（CDMS、DAMA）の感度は、WIMP-核子断面積を探索する上でどのように比較できるか？
• RQ4 Super-Kの結果は、DAMA実験の年齢周期モード信号が支持するWIMPパラメータ領域を除外できるか？

主な発見

• 大気ニュートリノ背景を超える統計的に有意な上向きに通過するミューオンの過剰は観測されず、地球、太陽、銀河中心からのWIMP対消滅信号の証拠は得られなかった。
• Super-K実験は、90%信頼水準におけるWIMP誘発ニュートリノフラックスの上限を設定したが、これは他の間接検出実験と同等の性能を示している。
• 得られたWIMP-核子スピン非依存断面積の上限は、DAMA実験の3σ許容領域が支持するパラメータ領域の大部分を除外する。
• 直接検出実験との比較により、Super-KのWIMP-核子断面積に対する感度は、広いWIMP質量範囲においてCDMSおよびDAMAと同等であることが示された。
• 高エネルギーニュートリノを用いた大規模な水チェレンコフ検出器による間接検出が、モデルに依存しない形でWIMPの性質に制約を加えることができることを示した。
• 太陽および地球からのフラックス上限を統合し、Kamionkowskiら（1995）の比を用いて保守的な断面積上限を導出し、DAMA信号が高信頼度で除外されることを示した。