[論文レビュー] Dark matter search in the inner galactic center halo with H.E.S.S

V. Lefranc, E. Moulin|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、10年間のH.E.S.S.観測（254時間）を用いて、銀河中心におけるダークマター（DM）散乱の最も厳しい制約を初めて提示した。2次元の尤度解析を用い、スペクトル的および空間的情報を統合することで、以前の限界を5倍改善し、400 GeVから2 TeVのDM質量における熱的残り cross section を探査した。1.5 TeVのDMが $W^+W^-$ パイアに散乱する場合、$ less\sigma v\rangle = 6 \times 10^{-26}$ cm³s⁻¹ の限界に達した。

ABSTRACT

The presence of dark matter in the universe is nowadays supported by a substantial set of astronomical and cosmological observations. A large amount of dark matter is expected in the Galactic Center (GC) region. Thanks also to its proximity, it is one of the best targets to look for dark matter particle self-annihilation into very high energy gamma-rays. We perform a search for annihilating dark matter in the central 300 parsecs around the GC with the H.E.S.S. array of ground-based Cherenkov telescopes. Using the full H.E.S.S.- I dataset (2004-2014) of GC observations, new constraints are derived on the velocity-weighted annihilation cross section $\langle σv angle$ with a 2D likelihood method using spectral and spatial morphologies of the DM signal compared to background. These constraints are the strongest obtained so far in the TeV mass range and improve the previous constraints by a factor of 5. Considering an Einasto profile, the constraints reach $\langle σv angle$ values of $6 imes 10^{-26}$cm$^{3}$s$^{-1}$ for a DM particle mass of 1.5 TeV annihilation into W$^+$W$^-$ pairs. In the $τ^+τ^-$ channel, the constraints probe the natural scale for thermal relic cross section for DM particles of masses between 400 GeV and 2 TeV.

研究の動機と目的

• H.E.S.S. チェレンコフ望遠鏡アレイを用いて、銀河中心の内側300 pcにおける自己散乱ダークマターからのガンマ線信号を探索すること。
• 4年間のデータセットと比較して、10年間のH.E.S.S.観測（254時間）を活用することで、間接的ダークマター検出の感度を向上させること。
• 信号のスペクトル的および空間的形状を背景と相対的に組み込んだ2次元尤度法を用いて、速度加重散乱断面積 $ less\sigma v\rangle$ を制約すること。
• 地上ベースのチェレンコフ望遠鏡が、TeVスケールのダークマター粒子における熱的残り断面積をどれだけ探査できるかを検証すること。

提案手法

• 空間的およびスペクトル的情報を統合する2次元尤度比検定を採用し、銀河中心を基準とする1°半径の領域で、7つの環状空間チャンクと10個のエネルギーチャンクを用いた。
• 各空間チャンクおよびエネルギーチャンクに対してポisson尤度を用い、期待される信号および背景イベントを $\mathcal{L}_{ij} = \frac{(N_{\text{S,ij}} + N_{\text{B,ij}})^{N_{\text{ON,ij}}}}{N_{\text{ON,ij}}!} e^{-(N_{\text{S,ij}} + N_{\text{B,ij}})}$ としてモデル化した。ここで $N_{\text{S,ij}}$ は信号、$N_{\text{B,ij}}$ は背景の期待値である。
• ダークマター信号のフラックスは、微分ガンマ線フラックス式 $\frac{d\Phi_{\gamma}^{\text{P}}}{d\Omega dE_{\gamma}} = \frac{1}{8\pi m_{\text{DM}}^2} \sum_f \langle\sigma v\rangle_f \frac{dN^f_\gamma}{dE_\gamma}(E_\gamma) \times J(\theta)$ を用いてモデル化した。$J(\theta)$ は視線方向に $\rho^2(r(s,\theta))$ を積分したJ要因である。
• EinastoおよびNFWダークマター密度プロファイルの両方に対してJ要因を計算し、局所的ダークマター密度 $\rho_\odot = 0.39$ GeV cm⁻³ を仮定した参照研究から得られたパラメータを用いた。
• 尤度比統計量（TS）は $\text{TS} = -2\ln(\mathcal{L}(m_{\text{DM}}, \langle\sigma v\rangle)/\mathcal{L}_{\text{max}}(m_{\text{DM}}, \langle\sigma v\rangle))$ として定義され、自由度1の $\chi^2$ 分布に従う。2.71を超える値は、95%信頼水準で $ less\sigma v\rangle$ を除外する。
• ガンマ線スペクトルを参照文献[8]から得た複数の最終状態（$W^+W^-$, $\tau^+\tau^-$, $b\bar{b}$, $t\bar{t}$, $\mu^+\mu^-$）に対して、$ less\sigma v\rangle$ の上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的およびスペクトル的情報を統合する2次元尤度解析は、従来の1次元手法と比較して、銀河中心におけるダークマター散乱信号の感度を向上させることができるか？
• RQ2 10年間のH.E.S.S.データを用いて、TeVスケールのダークマター粒子における速度加重散乱断面積 $ less\sigma v\rangle$ の更新された95%信頼水準の上限は何か？
• RQ3 地上ベースのチェレンコフ望遠鏡は、400 GeV〜2 TeVのダークマター質量において、$ less\sigma v\rangle = 3 \times 10^{-26}$ cm³s⁻¹ の熱的残り断面積をどの程度探査できるか？
• RQ4 EinastoとNFWのような仮定されたダークマター密度プロファイルの違いが制約に与える影響は何か？
• RQ5 新しいH.E.S.S.の限界は、Fermi-LAT や MAGIC などの他の間接検出実験の限界とどのように比較できるか？

主な発見

• 本分析により、以前のH.E.S.S.の $ less\sigma v\rangle$ 限界が5倍改善され、1.5 TeVのダークマター粒子が $W^+W^-$ パイアに散乱する場合、$6 \times 10^{-26}$ cm³s⁻¹ の限界に達した。
• $\tau^+\tau^-$ 最終状態では、400 GeV〜2 TeVのダークマター質量において、熱的残り断面積を探査でき、1 TeVでの95%信頼水準の上限は $2 \times 10^{-26}$ cm³s⁻¹ であった。
• 10年間のH.E.S.S.データ（254時間）では、銀河中心の内側300 pcに顕著なガンマ線過剰は観測されず、ダークマター信号のnull検出を支持する結果となった。
• 最も強い制約は、Einastoダークマター密度プロファイルを用いた場合に得られ、J要因は $4.92 \times 10^{21}$ GeV²cm⁻⁵ であった。一方、NFWプロファイルではJ要因は $2.67 \times 10^{21}$ GeV²cm⁻⁵ に低下した。
• 本研究では、地上ベースのイメージング大気チェレンコフ望遠鏡が、TeVスケールの質量領域における熱的残り散乱断面積を探査できることが、初めて実証された。これは、間接的ダークマター検出において画期的な出来事であった。
• 95%信頼水準の上限は、異なるダークマター密度プロファイルに対して安定しており、Einastoおよび代替Einastoパラメータ化では、それぞれ $4.92 \times 10^{21}$ および $1.51 \times 10^{21}$ GeV²cm⁻⁵ のJ要因を示した。