[論文レビュー] Dark Matter Searches with H.E.S.S

K. Morå|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー電磁線を介したダークマター探索として、H.E.S.S.による2つの検索を提示する。1つは、ダークマターが支配的で宇宙背景が低い5つのドワーフスフィロイダル銀河（dSphs）を標的とし、もう1つは核にコア構造を持つダークマター分布を想定した銀河中心の探索である。140時間のデータを用いて、本研究は、TeVスケールのダークマターの消失断面積について、現在最も強い制限を設定した。dSphsではベクトルボソンが最終状態となる場合、1.4 × 10⁻²³ cm³s⁻¹の感度に達し、銀河中心の500 pcコアに対しては、急峻な分布を仮定しない場合、3 × 10⁻²⁴ cm³s⁻¹を超える断面積は排他された。

ABSTRACT

Cosmological measurements indicate that a large component of non-visible gravitating matter is present in the universe. A common hypothesis for its origin is a weakly interacting, massive particle. Annihilations or decays of such particles could produce gamma rays. The H.E.S.S. experiment is an imaging air Cherenkov telescope array located in Namibia which may detect very high energy gamma-rays between 300 GeV and 10 TeV. This talk will present an overview of two recent H.E.S.S. searches for dark matter in the very high energy region, one targeting dwarf galaxies, the other one a cored dark matter profile at the galactic center.

研究の動機と目的

• 5つのドワーフスフィロイダル銀河（dSphs）から高エネルギー電磁線信号のダークマター消失を探索すること。dSphsはダークマターが支配的で、宇宙背景が低い。
• 銀河中心のコア的ダークマター分布を調査すること。これは、通常の解析で信号領域と背景領域の内容が類似しているため、感度が低下する可能性があるため。
• 急峻なダークマター分布を仮定しないで、速度平均のダークマター消失断面積に対する強固な上限を設定すること。
• dSphs全体にわたるJ要因推定のための新しいベイジアン二段階尤度と、専用のOFFポイントを用いることで感度を向上させること。

提案手法

• 信号領域としてθ ≤ 0.1°の円形領域を用い、背景領域は源位置の周囲にリング状に構築し、ガンマ線と荷電粒子の分離を可能にした。
• イベント再構築とガンマ線-荷電粒子分離にXeff解析選択基準を適用し、機器の点像関数を活用した。
• J要因（ダークマター密度の2乗の視線積分）は、dSphs間でパラメータを共有するベイジアン二段階尤度を用いて推定した。
• エネルギー依存のビン化尤度を用いてスペクトル情報を組み込み、ベクトルボソン、b¯b、レプトンへの消失に対する感度を向上させた。
• 銀河中心探索では、500 pcコアの外側に別個のOFFポイントを設け、信号と背景の混合を回避した。ON観測は3時間、OFFは6時間実施した。
• |b| < 0.3°のカットを適用して、銀河平面の背景を抑制した。ON領域の過剰信号の有意水準は−0.5σであり、背景のみと整合的であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 dSphsにおけるTeVスケールのWIMPsのダークマター消失断面積の上限は、ベクトルボソンが最終状態となる場合、どのように定まるか？
• RQ2 銀河中心におけるコア的ダークマター分布は、H.E.S.S.を用いた間接的ダークマター探索の感度にどのように影響するか？
• RQ3 信号領域と背景領域のダークマター密度が類似している場合、専用のOFFポイントを用いることで、ダークマター消失の上限が改善できるか？
• RQ4 銀河中心におけるコア的分布の上限は、急峻な分布の上限と比較してどのように異なるか？

主な発見

• 5つのdSphsのいずれに対しても、顕著なガンマ線過剰は観測されず、背景のみの仮説と整合的であった。
• ベクトルボソンが最終状態となる場合の、合算されたダークマター消失断面積の上限は、&lt; σv &gt; ≈ 1.4 × 10⁻²³ cm³s⁻¹であり、これは以前のH.E.S.S. dSph探索に比べて5倍の改善であった。
• 銀河中心では、500 pcコアに対して、1–4 TeVの質量範囲で、&lt; σv &gt; ≈ 3 × 10⁻²⁴ cm³s⁻¹の上限が得られ、急峻な分布を仮定しない条件であった。
• もし急峻な分布を仮定した場合、上限は約2倍に改善され、分布仮定の感度に依存することを示した。
• 銀河中心探索で別個のOFFポイントを用いることで、急峻な分布を仮定しない状況で、現在最も強い上限が得られた。
• 本結果は、超高エネルギー電磁線帯域における間接検出によるTeVスケールのダークマター消失に対する、最も厳密な制限を示している。