[論文レビュー] Dark matter searches toward the Galactic Centre halo with H.E.S.S

Lucia Rinchiuso, E. Moulin|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、10年間のH.E.S.S.観測データを用いて、銀河中心に向けてのダークマター（DM）散乱の制限を更新した。2次元ボックス化された尤度解析を採用し、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。この解析により、即時γ線信号の制限が約7倍改善され、1.5 TeVで$W^+W^-$チャンネルにおける熱的残りの断面積を$\sim 6 \times 10^{-26}$ cm$^3$ s$^{-1}$まで探査した。これはH.E.S.S.が$\tau^+\tau^-$チャンネルで初めて熱的残り断面積レベルに達した初の試みである。

ABSTRACT

The presence of dark matter in the Universe is nowadays widely supported by a large body of astronomical and cosmological observations. The central region of the Milky Way is expected to harbor a large amount of dark matter. Very-high-energy (>100 GeV) gamma-ray observations with the H.E.S.S. array of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes are powerful probes to look for self-annihilations of dark matter particles toward the Galactic Centre. A new search for a dark matter signal has been carried out on the full H.E.S.S.-I dataset of 2004-2014 observations with a 2D-binned likelihood method using spectral and spatial properties of signal and background. Updated constraints are derived on the velocity-weighted annihilation cross section. Higher statistics from the 10-year Galactic Center dataset of H.E.S.S. I together with a novel analysis technique allow to significantly improve the sensitivity. New results are presented.

研究の動機と目的

• 銀河中心からの高エネルギーγ線データを用いて、ダークマター散乱の制限を強化すること。
• 背景除去を伴う、潜在的DM信号のスペクトル的および空間的特徴を統合することで感度を向上させること。
• H.E.S.S.-Iの10年間の観測データ（254時間）を活用し、強化された解析手法を用いて、過去の制限を超えること。
• 特定のチャンネルで、最初に標準的な$3 \times 10^{-26}$ cm$^3$ s$^{-1}$の熱的平均散乱断面積$\langle \sigma v \rangle$を探査すること。
• データ低減法、尤度手法、および低エネルギー閾値の改善による感度向上の程度を評価すること。

提案手法

• 2次元ボックス化された尤度手法を用い、信号および背景の空間的およびスペクトル的情報を同時にモデル化することで、識別能を向上させた。
• 地域の関心領域における$\rho^2(r)$の視線積分をモデル化するため、Einastoダークマター密度プロファイルから導出されたJ因子を組み込んだ。
• 連続的信号の場合、光子フラックスは$\frac{d\phi}{dE} = \frac{1}{4\pi} \frac{\langle \sigma v \rangle}{2m_{\rm DM}^2} \sum_i Br_i \frac{dN_i}{dE} \times J(\Delta\Omega)$により計算され、散乱チャンネルおよびエネルギースペクトルを考慮した。
• 線状信号の場合、デルタ関数入力スペクトルをガウス型エネルギー分解能（$\sigma/E = 10\%$）で畳み込み、機器応答をモデル化した。
• 背景はOFF領域と尤度関数内のポisson項を用いてモデル化され、統計的ゆらぎを考慮した。
• 新しい生データ解析パイプラインにより、エネルギー閾値が低下し、1 TeV未満の感度が向上した。これは特に低質量DM探索に有利に働いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H.E.S.S.は10年分のデータを用いて、銀河中心における速度加重散乱断面積$\langle \sigma v \rangle$の制限を強化できるか？
• RQ2 スペクトル的および空間的情報を統合する2次元ボックス化尤度手法は、従来の1次元手法と比較して、どの程度感度を向上させるか？
• RQ3 特定の散乱チャンネルで、$3 \times 10^{-26}$ cm$^3$ s$^{-1}$の熱的残り断面積が探査可能か、あるいは除外可能か？
• RQ4 新しい生データ解析パイプラインは、特に1 TeV未満の領域で感度をどの程度向上させるか？
• RQ5 更新された制限は、特にγ線チャンネルにおいて、Fermi-LATの結果と比較してどう異なるか？

主な発見

• $W^+W^-$連続的チャンネルにおける95%信頼区間上限は、ダークマター質量が$\sim 1.5$ TeVで$\sim 6 \times 10^{-26}$ cm$^3$ s$^{-1}$に達した。
• $\tau^+\tau^-$チャンネルでは、$\sim 800$ GeVで上限が$\sim 2 \times 10^{-26}$ cm$^3$ s$^{-1}$に達し、これはH.E.S.S.がこのチャンネルで初めて熱的残り断面積を探査した初の試みである。
• 即時γ線信号の期待される上限は、前回のH.E.S.S.結果と比較して1 TeVで約7倍改善された。
• 300 GeV以上のエネルギー領域では、特にγ線チャンネルにおいて、Fermi-LATの制限を約4倍の感度で上回った。
• 向上した感度は、統計量が2倍に増加し、最適化された2次元尤度手法、およびエネルギー閾値を低下させ低エネルギー感度を向上させる新しい生データ解析の組み合わせによるものである。
• 探索可能なダークマター質量範囲は200 GeVから70 TeVにまで拡大され、顕著に探索範囲が拡張された。