[論文レビュー] Direct Detection Constraints on Dark Matter Event Rates in Neutrino Telescopes, and Collider Implications

Prateek Agrawal, Zackaria Chacko+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 70被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、直接検出実験からの制約を用いて、ニュートリノ望遠鏡におけるダークマター事象率のモデルに依存しない上限を確立する。観測された事象率がスピン非依存相互作用の上限を超える場合、ダークマターはスピン依存性の結合を通じて相互作用している必要があり、これはメジャナ型フェルミオンまたは実ベクトルボソンが自然な候補であることを示唆する。さらに、弱い相互作用スケールに位置する新しい色荷を持つ粒子や$Z'$に類似した粒子が、LHCで観測可能である。

ABSTRACT

Neutrino telescopes are looking to detect neutrinos produced by the annihilation of weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter in the sun. The event rate depends on the dark matter density in the sun, which in turn is dictated by the cross section of WIMPs with nucleons. This however is bounded by direct detection experiments. We use the constraints from these experiments to place model-independent upper bounds on the event rates in neutrino telescopes that apply to any elastic dark matter model. Since the spin-independent WIMP-nucleon cross section is much more tightly constrained than the corresponding spin-dependent cross section, the bounds are much stronger in the former case and are competitive with the current limits from IceCube. If the number of events observed in neutrino telescopes exceeds the upper bound corresponding to spin-independent interactions, the implication is that the cross section of dark matter with nucleons is dominated by spin-dependent interactions. In such a scenario the natural dark matter candidates are Majorana fermions and real vector bosons, so that dark matter particles are their own anti-particles. We show that any such theory that leads to observable event rates at current generation neutrino telescopes will in general contain new particles charged under the Standard Model gauge groups that naturally lie in a mass range that is kinematically accessible to the Large Hadron Collider (LHC).

研究の動機と目的

• 直接検出実験からの制約を用いて、ニュートリノ望遠鏡におけるダークマター事象率のモデルに依存しない上限を導出すること。
• 観測された事象率がスピン非依存相互作用の上限を超える場合、それらがダークマター候補に与える影響を特定すること。
• スピン依存性ウィルム＝ニュクレオン散乱を伴う理論で予測される、LHCで観測可能な新しい粒子の種類を同定すること。
• これらの上限が現在のアイスカウブルの限界とどのように比較されるか、および今後の感度を評価すること。

提案手法

• 直接検出実験から得られるスピン非依存およびスピン依存性ウィルム＝ニュクレオン断面積の制約を用いて、ニュートリノ望遠鏡における事象率の上限を導出する。
• ウィルム＝ニュクレオン散乱断面積と太陽内でのダークマター密度との関係を用いて、対消滅率を制約する。
• 結果をダークマター質量および対消滅分岐比でパラメータライズした、弾性ダークマターモデルに適用する。
• クォークに結合するベクトル型またはフェルミオン型媒介粒子を通じたスピン依存性散乱の有効場理論を分析する。
• 運動学的およびフラバー制約を用いて、スピン依存性散乱を生成する色荷を持つ媒介粒子（例：ベクトル型クォーク）の質量限界を構築する。
• 実験的制約下での質量範囲と結合定数を評価することで、これらの媒介粒子がLHCで実際に観測可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の直接検出限界に基づいて、ニュートリノ望遠鏡におけるダークマター事象率の最も強いモデルに依存しない上限は何か？
• RQ2 異なる対消滅最終状態において、これらの上限は既存のアイスカウブルの限界とどのように比較されるか？
• RQ3 観測された事象率がスピン非依存上限を超える場合、ウィルム＝ニュクレオン散乱の性質にどのような意味があるか？
• RQ4 スピン依存性相互作用に関連する自然なダークマター粒子の種類は何か？それらの量子数的性質は何か？
• RQ5 スピン依存性ウィルム＝ニュクレオン散乱を伴う理論で予測される新しい粒子は何か？それらはLHCの運動学的領域内にあるか？

主な発見

• スピン非依存ウィルム＝ニュクレオン散乱に対するニュートリノ望遠鏡における事象率の上限は、直接ニュートリノ最終状態では約1,000件/年/km²であり、他の標準模型最終状態では数100件/年/km²である。
• これらのスピン非依存上限は現在のアイスカウブルの限界と同等であり、直接検出感度が2桁向上すれば、わずか数件/年/km²にまで低下する。
• スピン依存性の上限は現在約300,000件/年/km²であり、アイスカウブルの現在の限界と比べて著しく弱い。
• 観測された事象率がスピン非依存上限を超える場合、ウィルム＝ニュクレオン散乱はスピン依存性相互作用によって支配されていなければならない。これは、メジャナ型フェルミオンまたは実ベクトルボソンがダークマター候補として好ましいことを示唆する。
• スピン依存性相互作用を伴う理論は、TeVスケールの新しい色荷を持つフェルミオンや$Z'$ゲージボソンを予測し、これらはLHCで観測可能である。
• アイスカウブルで観測可能な信号が得られる場合、色荷を持つ媒介粒子（例：ベクトル型クォーク）の質量はTeVスケール以下に制限され、LHCの運動学的領域内にある。