[論文レビュー] Dark matter search in the inner Galactic halo with H.E.S.S. I and H.E.S.S. II

V. Lefranc, E. Moulin|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、10年間のH.E.S.S.-Iデータ（254時間の有効時間）を用いて、銀河中心におけるダークマター（DM）自己散乱に対する、これまでで最も強い制約を提示する。新規の2次元尤度解析手法を採用し、スペクトル的および空間的情報を統合することで感度を向上させた。3 TeVのDM粒子がb\bar{b}対に散乱する場合の95%信頼水準における上限は$1.2 \times 10^{-25}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$であり、以前のH.E.S.S.の制約に比べ2.3倍の改善が達成された。

ABSTRACT

The presence of dark matter in the Universe is nowadays widely supported by a large body of astronomical and cosmological observations. One of the best targets to look for dark matter particle self-annihilation into very high energy gamma-rays is the Galactic Center (GC) region. A search for annihilating dark matter in the central 300 parsecs around the GC is performed with the H.E.S.S. array of ground-based Cherenkov telescopes. Using the full H.E.S.S.- I dataset (2004-2014) for this region, new constraints are derived on the velocity-weighted annihilation cross section with a 2D likelihood method, taking advantage of differences in both spectral and spatial morphologies of signal and background. Higher statistics from the 10-years GC dataset of H.E.S.S. I together with a novel analysis technique, allow to improve the present constraints by a factor of 2 for a DM particle mass of 1 TeV. The expected improvement in sensitivity of the new analysis technique, applied to performances of the H.E.S.S.-II array, is also presented.

研究の動機と目的

• 銀河の内側ハローにおけるダークマター粒子の速度加重散乱断面積の制約を改善すること。
• 10年間のH.E.S.S.-Iデータ（254時間の有効時間）をフルに活用し、統計的感度を向上させること。
• 信号とバックグラウンドのスペクトル的および空間的差を同時にモデル化する新規の2次元尤度解析手法を開発・適用すること。
• 将来のDM探索を想定し、H.E.S.S.-IIアレイのモノモード運用における感度を予測すること。
• 熱的に生成されたWIMPダークマターモデルのより厳しい制約を、予想される$\langle\sigma v\rangle = 3 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$の残存密度と照らし合わせること。

提案手法

• 本分析では、空間的分布（角度領域）とエネルギー分布（エネルギー領域）の両方を同時にモデル化する2次元尤度法を用いる。
• 信号領域（ON）は、銀河中心を原点とする$1^\circ$の円形領域であり、バックグラウンドは$1^\circ < r < 1.5^\circ$の環状領域（OFF）から推定され、比$\alpha_i = \Delta\Omega_i / \Delta\Omega_{\text{OFF}}$を用いて正規化される。
• 尤度関数には、各空間的・スペクトル的ビンにおける予測される信号およびバックグラウンドイベント数を組み込み、信号はEinastoダークマター密度プロファイルのJ因子と、更新された計算によるDM散乱スペクトルを用いてモデル化される。
• 尤度統計量（TS）は$\text{TS} = -2\ln\left(\mathcal{L}(m_{\text{DM}}, \langle\sigma v\rangle)/\mathcal{L}_{\text{max}}(m_{\text{DM}}, \langle\sigma v\rangle)\right)$として定義され、自由度1の$\chi^2$分布に従う。
• 95%信頼水準における$\langle\sigma v\rangle$の上限は、TSが2.71を超える値を特定することで導出される。
• H.E.S.S.-IIの感度は、同じ分析フレームワークを用い、大型中央28 m望遠鏡のみを用いたモノモード運用を仮定して予測された。観測時間は100時間および250時間と想定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10年間のH.E.S.S.-I全データを用いて、1–10 TeVの質量範囲にあるダークマター粒子の速度加重散乱断面積$\langle\sigma v\rangle$に対する改善された制約は何か？
• RQ2 スペクトル的および空間的情報を統合する2次元尤度解析手法は、従来の手法に比べてどの程度感度を向上させるか？
• RQ3 本研究のH.E.S.S.の制約は、Fermi-LATや以前のH.E.S.S.解析と比較して、特にTeV領域の質量範囲でどのように異なるか？
• RQ4 H.E.S.S.-IIアレイがモノモード運用で実施する場合、サブ-TeV質量のDM散乱を検出する感度はどの程度向上するか？
• RQ5 新しい解析手法により、熱的に生成されたWIMPの残存密度に相当する理論的期待値$3 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$に近づく制約が達成可能か？

主な発見

• 3 TeVのダークマター粒子がb\bar{b}対に散乱する場合の95%信頼水準における$\langle\sigma v\rangle$の上限は$1.2 \times 10^{-25}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$であり、以前のH.E.S.S.の制約に比べ2.3倍の改善が達成された。
• 1 TeVのDM粒子質量に対して、統計的データの増加と2次元尤度手法の導入により、以前のH.E.S.S.結果に比べ感度が2倍向上した。
• H.E.S.S.の制約は、現在までで最も強いものであり、~800 GeV以上のダークマター質量範囲で、この範囲においてFermi-LATの制約を上回っている。
• H.E.S.S.-IIがモノモード運用で観測を実施した場合、800 GeVでの感度は100時間で$1.5 \times 10^{-25}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$、250時間で$7 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$に達すると予想される。
• 内側銀河ハローに顕著なガンマ線過剰は観測されず、これは標準的な熱的WIMPモデルが予測するノンリザルトと整合的である。
• 結果として、観測された上限は、熱的に生成されたダークマターの理論的期待値$3 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$に近づいた。