[論文レビュー] CF2 White Paper: Status and Prospects of The VERITAS Indirect Dark Matter Detection Program

A. W. Smith, R. Bird+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、VERITASの間接的ダークマター検出計画を要約しており、地上のガンマ線望遠鏡を用いて、矮星族球銀河や銀河中心などの標的におけるダークマター対消滅によるTeVガンマ線を探索する。ソーススタッキングと高度な解析を用いて改善された制約が提示されており、今後、技術の向上に伴い感度は2–3倍向上すると予想される。

ABSTRACT

In this white paper, submitted as a part of Snowmass 2013 (subgroup CF2), we examine the current status and future prospects of the VERITAS indirect dark matter detection program. The VERITAS array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs), sensitive in the 0.1-50 TeV regime, is in the process of completing a multi-year program aimed at detecting signatures of neutralino dark matter. This program is spread out over a range of astrophysical targets which can potentially yield definitive signatures of neutralino self-annihilation such as dwarf spheroidal galaxies (dSphs) and the center of the Milky Way galaxy. While the program is still in progress, initial results on dSphs have produced very competitive upper limits on the thermally averaged cross-section of neutralino self-annihilation as well as strongly constraining leptophillic dark matter models (such as those inferred from the PAMELA and AMS positron fraction results). As the program continues over the next 5 years, VERITAS observations will yield some of the strongest constraints available from IACTs, pushing down the limit on the thermally averaged cross-section of neutralino self-annihilation to the expected natural thermal relic scale.

研究の動機と目的

• 高質量対光度比の標的を用いたVERITASの観測により、ダークマター対消滅の間接的検出限界を向上させること。
• 複数のdSph観測にソーススタッキング技術を適用することで、ダークマター制約における不確実性を低減すること。
• 標準的手法よりも2–3倍信号対雑音比を向上させる高度なデータ解析手法を用いて感度を向上させること。
• 130 GeV近辺のガンマ線ライン信号を調査し、Fermi-LATが報告した内容を、VERITASの改善されたエネルギー閾値を用いて検証すること。
• 2020年代初頭にCTAが運用を開始するまでの間、超対称的ダークマター模型に対する重要な独立的制約を提供すること。

提案手法

• 4台の12メートル望遠鏡と499ピクセルのフォトマルチプライヤー管（PMT）カメラを備えたVERITASのイメージング大気チェレンコフ望遠鏡アレイを用い、宇宙からのTeVガンマ線を検出する。
• 複数の矮星族球銀河のデータを重ね合わせることでソーススタッキングを実施し、個々の標的の限界を超えた統計的有意性と感度を向上させる。
• 2012年のアップグレード以降、エネルギー閾値を低下させる技術を適用し、70 GeV未満の感度を拡張し、潜在的なガンマ線ライン特徴を調査可能にする。
• dSphの運動論的測定とVERITASのデータを組み合わせることで、J要因（ダークマター密度プロファイル）をよりよく制約し、対消滅断面積の限界における系統的不確実性を低減する。
• 連続スペクトルおよびライン発光モデルを用いてガンマ線スペクトルを解釈し、ダークマター対消滅と天体的背景を区別する。
• Fermi-LATデータとの比較分析を活用し、低エネルギー帯域で観測された130 GeVのライン特徴が妥当かどうかを検証または反証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VERITASがスタックされたdSphと銀河中心を観測した結果、現在のダークマター対消滅断面積に対する上昇限界は何か？
• RQ2 ソーススタッキングと改善された解析手法は、個々の標的解析と比較してどのように感度を向上させるか？
• RQ3 VERITASの70 GeV未満のエネルギー閾値を考慮すると、Fermi-LATが報告した130 GeVのガンマ線ライン特徴を確認できるか、あるいは否定できるか？
• RQ4 J要因（ダークマター密度プロファイル）の不確実性は、間接的検出制約の妥当性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 超対称的ダークマター模型の文脈において、VERITASの制約はFermi-LAT、直接検出実験、および将来のCTAと比較してどの程度のものか？

主な発見

• 2007年以降、VERITASはdSph、銀河団、銀河中心を含め、合計で約350時間の観測時間を確保した。
• dSph観測のソーススタッキングにより、VERITAS初のスタック上昇限界が得られ、個々の標的解析の限界を著しく上回る感度が達成された。
• 2012年のPMTアップグレードによりエネルギー閾値が70 GeV未満に低下し、Fermi-LATが報告した130 GeVのガンマ線ライン特徴を調査可能になった。
• 理論的予測では、高度な解析手法により感度が2–3倍向上するとされており、今後のVERITASデータ処理で実現される見込みである。
• VERITASのdSph観測による制約は、IACTベースの間接的検出において最も包括的になると予想され、Fermi-LATの低エネルギー制約を補完する。
• 130 GeVのライン信号の可能性は存在するが、その起源は不確かであり、機器的要因の可能性もある。VERITASは、その天体的起源を検証するのに最も適した立場にある。